Polycopié de Physique et de Biophysique UE 3.1

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Stage de Pré-Rentrée du Tutorat
26 août 2013 – 6 septembre 2013
Polycopié de Physique et de Biophysique
UE 3.1 : Organisation des appareils et systèmes
Fiches de cours
Enoncés des exercices
Ne peut être vendu ou utilisé dans un but commercial sous peine de poursuite.
Ce fascicule de cours et d’exercices a été entièrement réalisé par le Tutorat
Ni les professeurs, ni la faculté ne pourront être tenus responsables de la validité des
informations qu'il contient, même en cas d'une éventuelle relecture par un professeur.

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Sommaire
Introduction à la physique Page 4
Chapitre n°1 : Rappels de mathématiques et de physique
- Cours Page 5
- Exercices Page 33
Chapitre n°2 : Mécanique
- Cours Page 41
- Exercices Page 48
Chapitre n° 3 : Magnétisme
- Cours Page 53
- Exercices Page 76
Chapitre n° 4 : Introduction à la physique des ondes
- Cours Page 86
- Exercices Page 99
Correction rapide des exercices de physique Page 103
Introduction à la biophysique Page 109
Chapitre n° 5 : Solutions et compartiments liquidiens
- Cours : Solutions Page 110
- Cours : Compartiments liquidiens Page 113
- Exercices Page 115
Correction rapide des exercices de biophysique Page 119

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INTRODUCTION A LA PHYSIQUE
Tu vas très vite entendre de nombreux préjugés à propos de la physique ! Faisons d’abord le point
sur le top 3 des phrases qu’on entend le plus souvent.
« La physique, c’est impossible ! » Il est vrai que la physique est une matière très exigeante qui
demande beaucoup de travail. Mais c’est loin d’être impossible, et ceux qui la travaillent
sérieusement sont généralement bien récompensés ! L’essentiel est de ne pas avoir de lacunes du
programme de terminale. Le premier chapitre de « rappels » sera donc pour toi l’occasion de revoir
tes éventuelles faiblesses et les combler au plus vite ! Ensuite, il faudra trouver ta méthode de
travail (voir plus bas).
« Travailler la physique, c’est inutile, ça paie pas ! » La physique représente les trois quarts de
l’épreuve d’UE3.1, coefficient 9. Si on classait les sous matières, la physique à elle seule serait le
deuxième coefficient de toute l’année ! C’est donc une matière sur laquelle il faut passer du temps
et qu’il ne faut pas abandonner. Durant le semestre, tu vas vite être débordé par les matières à par
cœur, c’est donc dès maintenant qu’il faut mettre un bon coup à la physique !
« Tout le monde a des mauvaises notes de toute façon ! » Les notes au concours sont relativement
faibles, mais le but n’est pas d’avoir 14, mais d’avoir plus que les autres ! Ne serait-ce qu’un 8/20
permet de gagner de nombreuses places. C’est ici que tu peux faire la différence.
Quel le programme de physique cette année ?
 Quelques notions de maths indispensables. Il faut bien les maîtriser pour comprendre les cours
de physique qui suivent.
 Mécanique : Des mouvements, des forces, les lois de Newton, les énergies cinétique et
potentielle, le travail d’une force... Beaucoup de choses qui te sont familières !
 Magnétisme : C’est l’étude de la force que produisent des charges électriques en mouvement et
des effets des champs magnétiques sur les particules chargées ou circuits électriques.
 RMN (résonnance magnétique nucléaire) : A cheval entre magnétisme et physique quantique,
la RMN est à l’origine d’applications médicales majeures, comme l’IRM fonctionnelle.
 Les ondes, en trois parties : généralités, ondes sonores et ondes lumineuses.
 La radioactivité : très médicale et en général appréciée par les P1, on étudie la décroissance
radioactive mais aussi les effets des radiations sur les tissus biologiques ou encore son utilisation
en thérapeutique.
Comment travaille-t-on la physique ?
Tu as le droit à tes documents lors du concours, il s’agit donc d’acquérir non pas seulement un
savoir, mais surtout un savoir-faire. Pour cela, il faut d’abord bien comprendre le cours. Je
recommande de ne pas le lire passivement, mais de prendre une feuille et un stylo et essayer de
faire en même temps les démonstrations et de « deviner » la suite. Ensuite, on fait de nombreux
exercices et des annales. Au programme du stage : maths, mécanique, magnétisme et introduction
aux ondes ! Bon courage !

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Chapitre n°1 : Rappels de mathématiques et de physique
Cours
Nous essaierons dans ce cours de survoler l’ensemble des notions mathématiques qui seront
nécessaires pour résoudre les exercices de physique que vous rencontrerez lors de l’année. A cela,
s’ajoutent de nouveaux outils mathématiques (marqués d’un *) que vous devrez essayer de vite
assimiler pour viser à une bonne compréhension des cours. Il n’est pas nécessaire de tout retenir,
vous avez le droit à vos documents lors des épreuves !
PARTIE 1 : DERIVATION ET INTEGRATION
Il est très important en PAES d’avoir une maitrise parfaite de la dérivation et de l’intégration. Ce sont
des outils récurrents qui apparaitront dans la majorité des problèmes que vous rencontrerez.
I. La dérivation
La fonction dérivée
On définit la fonction dérivée de f(x), notée f’(x).
En physique on la note aussi
.
Cette fonction permet de traduire l’évolution f en fonction des valeurs de x.
A titre d’exemple, en considérant un problème sur un seul axe, l’axe des x :
- L’accélération se définit par
, c’est la manière dont la vitesse évolue en fonction du temps
- De même, la vitesse se définie par
, c’est la manière dont la position évolue en fonction du
temps
Propriétés
Il y a plusieurs choses à garder en tête :
 Propriété fondamentale : L’étude du signe de la dérivée permet d’étudier les variations de
la fonction. Quand f’(x) est positive, f(x) est croissante, quand f’(x) est négative, f(x) est
décroissante. La dérivée est nulle aux extrema. (Voir exercice n° équilibre et énergie
potentielle.)
 Une fonction constante possède une dérivée nulle : cette propriété revient très souvent en
physique
Note : un problème classique et de vous demander de déterminer la valeur limite prise par
une grandeur, par exemple « déterminez quel est la vitesse limite atteinte par une
particule ?».
Il faut alors avoir pour réflexe de chercher à résoudre l’équation : 
 Une fonction dite linéaire, c’est-à-dire qui évolue proportionnellement à la variable
considérée, a une dérivée constante.
Une telle fonction est représentée sous forme de droite, sa dérivée en tout point en est le
coefficient directeur.