Programme Harmonisé de Physique, 7e année. Page 1 Programme

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PROGRAMME
CHAPITRE MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
Section F. Physique des
champs.
F 1. Energie dans le
champ radial
F1.1 Champ
gravitationnel radial.
F1.2 Champ électrique.
Programme de 7e année.
Les relations qui sont encadrées peuvent être requises sans démonstration dans les questions du
Baccalauréat. On peut demander aux candidats de démontrer les autres relations. Les durées sont
indicatives.
Le travail à fournir pour modifier la distance séparant des objets de masses m1 et m2 de ra à rb est:
W = Gm1m2 (1/ra – 1/rb).
Révisions des sections M2.4, M2.5, M4.3. du programme de sixième année.
Par convention, l’énergie potentielle de gravitation est prise égale à zéro à l’infini. Cela implique que l’énergie potentielle de
gravitation est négative, la force de gravitation étant attractive.
Energie Potentielle Gravitationelle
E
p
= – Gm
1
m
2
/r
dans un champ gravitationnel radial
La vitesse de libération d’un objet qui se trouve à la distance r du centre d’une planète de masse M est
vlibération = [2GM/r] ½
L’énergie cinétique d’un solide en orbite est Ek = Gm1m2/2r, ce qui implique que l’énergie totale est – Gm1m2/2r.
Par analogie, l’énergie totale d’une particule légère en orbite autour d’une particule lourde, chargée et immobile est :
Energie Potentielle Electrique
E
p
= – Q
1
Q
2
/8 πε
0
r
dans un champ électrique radial
On pourra introduire le
potentiel gravitationnel
Calculs de la masse du soleil et
des planètes; vitesse en orbite.
Les conditions d’un voyage sur
la lune.
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CHAPITRE MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
F1.3 L’électron volt.
F 2. Energie dans un
champ uniforme.
F2.1 Le champ
gravitationnel
uniforme.
F2.2 Le champ électrique
uniforme.
F2.3 Le champ
magnétique.
F3. Mouvement des
particules dans les
champs.
F3.1 Champ
gravitationnel
uniforme.
F3.2 Champ électrique
uniforme.
Pour les petites particules, de dimensions atomiques ou subatomiques, il peut être utile de mesurer leur énergie à l’aide d’une
unité plus petite que le joule. L’énergie d’une particule qui porte une charge élémentaire, accélérée depuis le repos par une
tension électrique de 1V, est de 1 électron volt (eV).
Electron Volt Unité: eV
Définition:
Energie équivalente à celle d’un électron accéléré depuis le
repos sous une tension de 1V
Révision des notions abordées en quatrième et cinquième années et de la section M3.1 du programme de sixième année.
Révision de la section F1.1 – F.1.3 du programme de sixième année.
La force qui s’exerce sur une charge en mouvement dans un champ magnétique étant perpendiculaire à sa vitesse, son travail est
nul et en conséquence l’énergie cinétique de la particule est constante.
Révision de la section M1.4 du programme de sixième année.
Comme dans le cas du champ gravitationnel, la trajectoire d’une particule chargée dans un champ uniforme est en général
parabolique.
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CHAPITRE MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
F3.3 Champ magnétique
uniforme.
F3.4 Applications.
Temps alloué: 32 périodes
(F)
Section W. Ondes.
W1. Notions de base.
W1.1 Définitions. Ondes
sinusoidales.
W1.2 Equation d’une onde
progressive.
Les équations du mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique, impliquent que la trajectoire est en général
hélicoïdale; l’hélice se ramène à un cercle si la vitesse et le champ sont perpendiculaires et à une droite s’ils sont parallèles.
Le rayon du cercle est donné par r = mv/Bq.
[Note : ici, comme ailleurs, un traitement vectoriel rigoureux n’est pas nécessaire, mais les élèves doivent être capable de
déduire le sens de la force d’une règle pratique simple].
Un champ magnétique peut servir à trier les particules en fonction de leur masse, comme dans le cas du spectromètre de masse.
On peut accélérer les particules chargées, par l’action d’un champ électrique, comme dans un canon à électrons. Les champs
électriques et magnétiques peuvent aussi être utilisés pour dévier les particules chargées comme dans un oscilloscope ou un
téléviseur. On peut utiliser l’action combinée d’un champ électrique et d’un champ magnétique pour trier des particules en
fonction de leur vitesse, ou pour les accélérer, comme dans le cas du cyclotron. On pourra aborder d’autres applications où des
champs magnétiques et électriques sont utilisés en combinaison.
Un système d’oscillateurs couplés, c’est à dire où l’énergie peut passer d’un à l’autre de proche en proche, permet la propagation
d’une onde progressive. L’énergie se propage sans déplacement d’ensemble de matière.
Les ondes peuvent être transversales ou longitudinales, selon que la perturbation est perpendiculaire ou parallèle à la direction de
propagation de l’onde.
Un oscillateur est dit harmonique, ou sinusoïdal, si la perturbation qu’il crée est donnée par une loi du type y = A sin ωt (voir
sixième année). Le terme ωt est appelé la phase du mouvement. La perturbation d’un oscillateur voisin a la même amplitude
mais une phase différente (en supposant qu’il n’y a pas de perte d’énergie). La perturbation sera alors y' = A sin(ωt – ), où
est la différence de phase entre les deux perturbations. La phase varie de façon linéaire en fonction du déplacement dans la
direction de propagation de l’onde, pour une valeur donnée du temps.
Dans une onde progressive,
la phase d’un oscillateur donné change de 2π au bout du temps 2π/ω. T est la période de l’onde.
la phase d’un oscillateur varie de 2π pour deux oscillateurs séparés par la distance λ. C’est la longueur d’onde.
le déphasage de deux oscillateurs séparés par la distance ∆x et pour un intervalle de temps de ∆t est donné par:
Analogies avec la chute libre et
avec les mouvements
ballistiques. L’accélérateur
linéaire.
D’autres accélérateurs, p. ex. le
synchrotron.
Le microscope électronique, les
lentilles magnétiques.
Expérience de Millikan.
Expériences avec les pendules
couplés etc.
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CHAPITRE MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
W1.3 Principe de Huygens.
W1.4 Exemples.
W2. Notions de base.
W2.1 Général
W2.2 Réfraction.
∆φ = 2π∆t/ T – 2π∆x/λ
L’équation d’onde d’une onde progressive est :
y = A sin(2πt/
T – 2πx/λ)
Une onde progressive a une double périodicité (dans l’espace et dans le temps).
La vitesse de propagation d’une onde est ∆x/∆t = λ/
T = fλ, et est définie par la vitesse de déplacement d’une crète (ou d’un
autre point de phase donnée)
La propagation d’une onde peut être considérée comme résultant de la formation d’ondes issues de sources secondaires sur sa
surface d’onde.
Note générale: Le concept d’onde permet de décrire des phénomènes qui sont apparemment très différents. On devra insister
sur cet aspect, en soulignant les similitudes de comportement du son et des ondes radio, plutôt que sur leur différences.
Les ondes sonores, ou acoustiques, peuvent se propager dans les solides, les liquides et les gaz. Dans l’air, la vitesse de
propagation, qui dépend de la température, est de 340 ms-1 à la température ordinaire. Dans les gaz, les ondes sonores sont
longitudinales.
Des ondes transversales peuvent se propager sur des cordes avec une célérité qui dépend de la tension de la corde et de la masse
linéique.
Les ondes électromagnétiques ont un éventail de fréquences très grand et peuvent être utilisées pour véhiculer une information
(radio), pour éclairer, et pour des usages médicaux (rayons X) selon leur fréquence. Ce sont des ondes transversales, qui
peuvent se propager dans le vide à une vitesse c qui est indépendante de la fréquence et qui est une constante fondamentale de la
physique. Il n’est pas nécessaire de traiter en profondeur leur nature et la façon avec laquelle elles se propagent.
Avec tous les types d’onde, on peut observer les phénomènes de réfraction, réflexion, diffraction, interférence et d’effet
Doppler.
La longueur d’onde d’un train d’onde dont la vitesse de propagation change, habituellement à cause d’une modification du
milieu de propagation, varie proportionnellement à la vitesse de propagation (contrairement à la fréquence). Sous une incidence
oblique, cela entraîne un changement de la direction de propagation. Si les angles d’incidence et de réfraction (angles entre les
Vitesse de propagation d’une
onde sur une corde: c2 = F/µ
où µ = m/l (la masse linéïque
de la corde)
Vitesse de propagation des
ondes sonores:
c α
T où T est la température
absolue.
Les phénomènes seront montrés
dans les situations aussi
diverses que possible (lumière,
son, cuve à ondes, microondes,
ultrason.....)
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CHAPITRE MATERIEL ET IDEES A INTRODUIRE: DEFINITIONS, UNITES, FORMULAIRES ET SAVOIR-FAIRE.
W2.3 Réflexion.
W2.4 Diffraction.
W2.5 Interférence.
2.5.1 Notions de base.
2.5.2 Cohérence.
rayons et la normale au dioptre) sont respectivement α et β, et les vitesses de propagation dans les deux milieux, c1 et c2, on a
sinα/sin β = c1/c2.
Indice de réfraction d’un milieu
Symbole: n
Définition:
n = c/c’ où
c
= vitesse de propagation de l’onde dans le vide
c’ = vitesse de propagation de l’onde dans le milieu
Un train d’ondes se réfléchit sur une surface de sorte que l’angle de réflexion soit égal à l’angle d’incidence. Si la surface sur
laquelle a lieu la réflexion appartient à un milieu dans lequel la vitesse de propagation est plus faible, la réflexion s’accompagne
d’un déphasage de π.
Une onde plane qui passe par une ouverture “s’étale”, en fonction de la longueur d’onde et de la largeur de l’ouverture.Cet effet
dépend du rapport λ/d, où d est la largeur de l’ouverture. On observe aussi ce type de comportement lorsqu’une onde rencontre
un obstacle.
La déformation résultant des actions simultanées de deux ondes en un même point de l’espace et au même instant est égale à la
somme algébrique des déformations. Ceci constitue le principe de superposition. Si l’on observe une augmentation de
l’amplitude, on dit que l’on a affaire à des interférences constructives. Si on observe une diminution de l’amplitude on dit que
l’on a affaire à des interférences destructives. Lorsqu’il y a superposition d’ondes identiques l’amplitude est comprises entre 0 et
2 fois l’amplitude d’une onde seule. Si les sources des ondes qui interfèrent sont situées en A et B, et sont en phase, il y a
interférence constructive en un point P quelconque si la différence de marche est un multiple entier de longueur d’onde. Il y a
interférence destructive si la différence de marche est un multiple impair de la demi longueur d’onde.
On ne peut observer un phénomène d’interférences stable qu’entre deux sources qui ont un déphasage constant. De telles ondes
sont dites ondes cohérentes. De sources d’ondes cohérentes sont dites sources cohérentes.
Battements
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