Physique PCSI
4
Sommaire
1. Réussir en physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Méthodes
d’apprentissage
Méthodes de résolution
Utilisation de l’ouvrage
Conseils.
PARTIE 1 – SIGNAUX
2. L’oscillateur harmonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Système masse-ressort
Équations différentielles
Équation aux dimensions
Énergies.
Exercices ..................... 22 Corrigés ...................... 24
3. Propagation d’ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Signal
Période, fréquence
Analyse spectrale
Onde progressive
Longueur d’onde
Polarisation de la lumière.
Exercices ..................... 37 Corrigés ...................... 38
4. Superposition d’ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Représentation de Fresnel
Interférences
Battements
Ondes stationnaires et modes propres d’une corde
Diffraction.
Exercices ..................... 54 Corrigés ...................... 56
5. Lois de l’optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Sources
Indice, dispersion
Réflexion
Réfraction
Objet, image
Stigmatisme, aplanétisme
Conditions de Gauss.
Exercices ..................... 70 Corrigés ...................... 72
6. Lentilles et instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Objet et image réels ou virtuels
Foyers
Grandissement, grossissement
Miroir plan
Lentilles, lentilles minces
Constructions
Lois de conjugaison
L’œil
Association de lentilles.
Exercices ..................... 87 Corrigés ...................... 89
7. Introduction au monde quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Dualité onde-corpuscule
Effet photo-électrique
Relation de de Broglie
Fonction d’onde, probabilité de
présence
Inégalité de Heisenberg
Oscillateur harmonique quantique.
Exercices .................... 102 Corrigés .................... 104
8. Circuits dans l’ARQS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Charge et intensité
Potentiel et tension
Caractéristique de dipôle
Lois de nœuds
Lois des mailles
Résistor,
condensateur, bobine
Générateur de Thévenin, de Norton
Associations série ou parallèle de dipôles.
Exercices .................... 123 Corrigés .................... 124
9. Régimes transitoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Oscillateurs
Excitation, réponse, régime
Circuits du premier ordre RC et RL
Circuit du second ordre RLC
Oscillateur mécanique amorti
Analogie électro-mécanique
Portrait de phase.
Exercices .................... 146 Corrigés .................... 149
10. Oscillations forcées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Régime sinusoïdal et résolution complexe
Résonances
Bande passante
Impédance
Méthode de Fresnel.
Exercices .................... 176 Corrigés .................... 178
11. Filtrage linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Moyenne, valeur efficace
Filtre, fonction de transfert, gain, gain en décibel
Diagrammes de Bode
Filtres du
premier ordre
Filtres du second ordre
Moyenneur, dérivateur, intégrateur
Filtres en cascade
Gabarit.
Exercices .................... 201 Corrigés .................... 205
PARTIE 2 – MÉCANIQUE
12. Cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Référentiels
Systèmes de coordonnées, déplacement élémentaire
Vitesse, accélération
Mouvement rectiligne
Mouvement parabolique
Mouvement circulaire
Translation et rotation d’un solide.
Exercices .................... 227 Corrigés .................... 229
13. Dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Quantité de mouvement
Référentiel galiléen
Principe fondamental de la dynamique
Théorème de la résultante
cinétique
Forces de contact, forces à distance
Réactions, lois de Coulomb.
Exercices .................... 244 Corrigés .................... 246
14. Énergie en mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Travail, puissance
Énergie cinétique
Force conservative, énergie potentielle
Théorèmes de l’énergie cinétique
et de la puissance cinétique
Théorème de l’énergie mécanique
Équilibre et stabilité.
Exercices .................... 270 Corrigés .................... 272
15. Particules chargées dans un champ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Champ uniforme, stationnaire
Accélération d’une charge par un champ électrique
Déviation d’une charge par
un champ magnétique.
Exercices .................... 285 Corrigés .................... 290
16. Théorème du moment cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Moment d’une force
Moment cinétique
Théorème du moment cinétique vectoriel et scalaire.
Exercices .................... 302 Corrigés .................... 303
17. Mouvements à forces centrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Centre de force
Invariants du mouvement
Loi des Aires
Forces Newtoniennes
Lois de Kepler
Satellites.
Exercices .................... 319 Corrigés .................... 320
18. Mécanique des systèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Quantité de mouvement
Centre d’inertie
Moment cinétique
Moment d’inertie
Action mécanique, couple,
liaison pivot
PFD
Conservation de la quantité de mouvement, du moment cinétique
Théorèmes énergétiques.
Exercices .................... 336 Corrigés .................... 337
PARTIE 3 – THERMODYNAMIQUE
19. Description des systèmes thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Grandeurs
et fonctions d’état
Température, pression, volume
Équilibre thermodynamique
Énergie interne, capacité
thermique à volume constant
Gaz parfait, équation d’état
Température et pression cinétiques
Phase condensée.
Exercices .................... 306 Corrigés .................... 362
5
20. Échanges énergétiques au cours d’une transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
Transformation
(réversible, isobare, isochore, isotherme, adiabatique)
Diagramme de Watt et de Clapeyron (P,V)
Transfert mécanique (travail)
Transfert thermique (chaleur)
Grandeurs d’échange et fonctions d’état
Thermostat.
Exercices .................... 375 Corrigés .................... 376
21. Premier principe de la thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
Énergie
interne microscopique et énergie macroscopique
Conservation de l’énergie
Enthalpie, capacité thermique
à pression constante
Relation de Mayer, coefficient adiabatique
Détentes de Joule, lois de Joule.
Exercices .................... 389 Corrigés .................... 391
22. Second principe de la thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Entropie
Identités thermodynamiques
Entropie créée, échangée, bilan entropique
Lois de Laplace
Diagrammes
entropiques (T,S)
Micro-état et macro-état, entropie statistique, définition de Boltzmann
Entropie et désordre.
Exercices .................... 412 Corrigés .................... 414
23. Machines thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
Moteur,
récepteur, schéma de principe
Diagramme de Raveau
Inégalité de Clausius
Efficacité et rendement
Cycles et rendements de Carnot
Premier principe industriel (machine à écoulement)
Diagramme de Mollier.
Exercices .................... 439 Corrigés .................... 441
24. Changements d’état du corps pur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
 Transitions
de phase
Diagramme (P,T), point triple, point critique
Diagramme (P,v), courbes de saturation
Isothermes d’Andrews
Enthalpie et entropie massiques
Titre molaire, massique
Théorèmes des moments.
Exercices .................... 456 Corrigés .................... 459
25. Statique des fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Forces
surfaciques et volumiques
Expression des forces de pression
Principe fondamental de l’hydrostatique
Pression dans un liquide
Pression dans un gaz, cas de l’atmosphère isotherme
Interprétation statistique de
Boltzmann
Poussée d’Archimède.
Exercices .................... 480 Corrigés .................... 482
PARTIE 4 – ELECTROMAGNÉTISME
26. Champ magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
Spectres et lignes de champ
Flux d’un vecteur
Symétrie et antisymétrie
Aimants, pôles magnétiques
Champs
créés par un courant (fil, spire, bobine, solénoïde)
Dipôle magnétique, moment magnétique
Force de Laplace,
action sur une tige, sur un cadre
Dipôle magnétique dans un champ.
Exercices .................... 499 Corrigés .................... 501
27. Induction électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
Loi de Lenz, loi de Faraday
Induction de Neumann, de Lorentz
Auto-induction, induction mutuelle
Transformateur,
alternateur
Rails de Laplace
Conversion électro-mécanique
Haut-parleur
Machine à courant continu.
Exercices .................... 524 Corrigés .................... 527
ANNEXES
Base de données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
Système international d’unités
Constantes physiques
Grandeurs astronomiques, atomiques, usuelles.
Index (mots-clés et points méthode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
6Physique PCSI
3
Partie 1 – Signaux 35
Propagation d’ondes
Un polariseur se présente comme un disque dont l’axe est généralement disposé selon l’axe de pro-
pagation (Oz) de la lumière, la direction de polarisation (Op) est en général réglable avec un curseur ou
simplement en tournant le polariseur.
On envoie de la lumière polarisée rectilignement selon
une direction (Op0) sur un polariseur de direction de pola-
risation (Op), telles que (Op0) et (Op) forment un angle a.
On peut décomposer le champ électrique incident (orienté
suivant (Op0)) en une composante parallèle à (Op) et une
composante orthogonale à (Op). Seule la première passe
le polariseur, la composante orthogonale est éliminée.
On peut choisir de noter (Ox) la direction (Op) du polari-
seur, (Oy) la direction orthogonale et ex

et ey

leurs vecteurs
unitaires directeurs respectifs. Alors le champ électrique
incident se décompose suivant : EEeE
eE
e
xx yy
00
0

=+=
À la sortie du polariseur, le champ électrique est : EEeE e
sx
xx

==
0cosa
On note que :
EEE
Sx

==
0cosa
Deux cas particuliers sont intéressants :
Si (Op0) et (Op) sont confondues (a = 0), le champ incident est suivant
(Ox), toute la lumière passe, il n’y a pas de modification à la traversée du polariseur : EE
eE
sxx

0
Si (Op0) et (Op) sont orthogonales (a = p/2), le champ incident est suivant (Oy), le champ électrique
est arrêté, il n’y a pas de lumière à la sortie du polariseur : EEe
sxx

0.
Le polariseur permet ici de déterminer des caractéristiques de la lumière incidente, on l’appelle un
analyseur, la lumière incidente polarisée pouvant par ailleurs avoir été créée par un premier polariseur.
3. Loi de Malus
Avec les mêmes notations que dans le paragraphe précédent, l’intensité lumineuse incidente I0 et l’inten-
sité lumineuses IS sortant du polariseur s’écrivent respectivement :
IKE
00
2

et IKEKEKE
Ss
 
2
0
22
0
22
co
os
(a indépendant du temps)
D’où : IIcos
S0
2a=, relation qui confirme qu’on peut éteindre la lumière incidente (IS = 0) avec un
analyseur perpendiculaire à la polarisation incidente (a = 90°).
Énoncé
Loi de Malus : L’intensité lumineuse IS à la sortie d’un polariseur dépend de l’angle a entre la direc-
tion de polarisation de la lumière incidente et celle du polariseur ainsi que de l’intensité de la lumière
incidente I0 :
II
s
=
0
2
cosa
Le cinéma 3D fonctionne selon ce principe : deux images correspondant à la vision qu’aurait chaque
œil du spectateur sont projetées en lumière polarisée différemment l’une de l’autre. Les lunettes sont
formées de polariseurs dont la direction de polarisation est liée à celle de l’image correspondante (œil
droit ou gauche). On peut le vérifier en regardant à travers un seul côté des lunettes et en faisant pivoter
la monture, on éteindra l’une ou l’autre image à chaque rotation de 90°.
p
y
x
a
p0
E
y
Ex
e
x
e
y
e0
E0
À partir des expressions de k et de w ci-dessus et la relation entre les périodes T et l, on obtient :
wpl
p
l
kT Tc  
2
2
ainsi :
w=ck
IV Onde polarisée
1. Nature de l’onde lumineuse
Dans ce qui précède, on a supposé que l’onde pouvait être décrite par une grandeur scalaire s(M,t). Cela
n’est pas toujours possible. Par exemple, la lumière, et plus généralement toutes les ondes électromagné-
tiques, résultent de la propagation d’un champ électrique noté
E

et d’un champ magnétique noté
B

. On
peut montrer qu’une onde électromagnétique quelconque peut s’écrire comme la superposition d’ondes
plus simples unidirectionnelles et progressives (ondes planes progressives), telles que les champs sont
alors tous deux transverses par rapport à la direction de propagation (Oz) et ne dépendent que de z et t.
On ne considère que ce type d’onde dans ce qui suit. Les champs de l’onde sont vectoriels, donc leurs
directions, leurs sens et leurs normes sont a priori fonctions de z et t.
On sait déduire le champ magnétique du champ électrique, aussi la description du champ électrique
suffit-elle à décrire l’onde. L’intensité de la lumière est directement liée à la valeur du champ électrique.
Définition
L’intensité lumineuse est proportionnelle à la moyenne temporelle du carré de la norme du champ
électrique :
IKE= 2
K est une constante. La moyenne est calculée sur un temps très grand devant la période des signaux
lumineux, laquelle est de l’ordre de 10–14 s pour la lumière visible.
2. Polarisation de la lumière
Définitions
La lumière, et plus généralement l’onde électromagnétique plane progressive est dite polarisée
rectilignement si son champ électrique a une direction constante au cours du temps.
La direction du champ électrique est appelée direction de polarisation.
Cette direction peut aussi tourner régulièrement autour de la direction de propagation (polarisation
circulaire ou elliptique), ou avoir une direction variant aléatoirement pour une lumière non polarisée.
La lumière naturelle du Soleil ou celle de la plupart des lampes est non polarisée. Par contre la lumière
réfléchie par une surface (eau, vitre) est partiellement polarisée, voire polarisée rectilignement dans cer-
tains cas, de même que la lumière diffusée par le ciel, contrairement à celle des nuages, ce qui permet
des effets en photographie à l’aide d’un polariseur.
L’œil humain, contrairement à celui des insectes, est insensible à l’état de polarisation de la lumière.
Il ne faut pas confondre direction de propagation et direction de polarisation.
Définition
Un polariseur est un dispositif optique qui ne laisse passer qu’une direction de polarisation de la
lumière. Cette direction sera notée (Op), elle dépend de l’orientation du polariseur.
La lumière sortant du polariseur est donc polarisée rectilignement selon (Op).
z
x
y
Direction
de propagation
de la lumière
Polariseur
Direction
de polarisation
de la lumière
Direction
de polarisation
du polariseur
3
Physique PCSI
36
Propagation d’ondes VERS LA COLLE
Questions de cours
Que signifie « faire l’analyse spectrale d’un signal » ? Que signifie « réaliser la synthèse spectrale
d’un signal » ?
Différentes expressions de l’onde progressive, de l’onde progressive unidirectionnelle.
Définition d’une onde progressive périodique ; mise en évidence de sa double périodicité.
Définition d’une onde progressive sinusoïdale ; mise en évidence de sa double périodicité.
À partir de l’expression de l’onde progressive sinusoïdale, déterminer sa fréquence, sa période, sa
pulsation, son vecteur d’onde.
Onde électromagnétique polarisée, intensité lumineuse, loi de Malus.
Erreurs à éviter
Il faut bien lire l’énoncé pour partir sur le bon modèle de l’onde : une onde progressive n’est pas for-
cément sinusoïdale, une onde n’est pas nécessairement périodique…
Attention au sens de propagation (vers les x positifs ou négatifs).
Quelques «trucs» utiles
Pour étudier l’évolution temporelle d’un point au passage de l’onde, il est souvent commode de
représenter l’onde à un instant t, puis à un instant ultérieur proche, on voit alors comment évoluent
les points.
Onde
à l’instant
t2 = t1 + Dt
Onde
à l’instant t1
s
x
M
Le point M
descend entre
t1 et t2
P
Le point P
monte entre
t1 et t2
Sens de propagation
D’une façon générale, il est commode de représenter les courbes en fonction du temps en utilisant la
période T comme unité de représentation et de représenter les courbes en fonction de la position x en
utilisant la longueur d’onde l comme unité de représentation, ce qui suppose de les déterminer dès le
départ. La double périodicité apparaît alors clairement et permet de représenter aisément les différentes
courbes. Il est également recommandé de représenter les signaux sur plus d’une période.
Inutile d’apprendre de nombreuses formules par cœur, on retiendra par contre les 4 relations suivantes :
k=2
p
l
et w
p
=
2
T ;
l=cT
(définition de l) ; f
T
=1 (définition de la fréquence)
De nombreuses autres relations peuvent être nécessaires dans les calculs, il est inutile de les apprendre
par cœur, car elles se retrouvent aisément si l’on a mémorisé les 4 précédentes :
wp2f
;
wck
;
lp
w
 
c
f
c
2
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