licence sciences vie terre. l1 boe

LICENCE SCIENCES VIE TERRE.
L1
BOE
Expédition dans la semaine n° Etape Code UE N° d’envoi de l’UE
45 1 UE_2_5 1
Physique (Électricité et Optique)
-Contenu de l'envoi
cours 1° partie du cours : Électricité
-Travail à effectuer
Lire et comprendre le cours d'électricité
-Coordonnées de l'enseignant responsable de l'envoi
Marcel Carrère
Institut de Neurosciences des Systèmes
INS-BDI-UMR1106
27 boulevard jean Moulin
Faculté de Médecine La Timone
13 385 Marseille cedex 5
tel: [phone] (Véronique Ayala)
tel: [phone] (Sonia Timourian)
U n i v e r s i t é d ’ A i x - M a r s e i l l e - C e n t r e d e T é l é - E n s e i g n e m e n t S c i e n c e s
Case 35. 3, place Victor Hugo. 13331 Marseille Cedex 03.
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Cours de PHYSIQUE (L1_Bio)
Le cours de physique se divise en deux parties égales : une partie sur l'électricité puis une autre sur
l'optique. Les Travaux pratiques sont au nombre de quatre avec deux Travaux d'électricité et
deux d'optique.
Les supports de ces cours sont les petits manuels : d'électro-cinétique et d'optique. Ils sont
précis,concis et vont à l'essentiel. Le programme suivi est : pour l'électricité, celui du livre moins une
partie du chapitre 7 sur la résonance ; pour l'optique, celui du livre moins le chapitre sur le prisme.
ELECTRICITE
0. Histoire de l'électricité
1. Les dipôles, et les générateurs
1.1 Définition
1.2 Exemple de résistance
1.3 Résistance en fonction de la température
1.4 Le pont diviseur de tension
1.5 Les générateurs réels
2. Lois de Kirchhoff , mailles et nœuds
2.1 Lois de Kirchhoff
2.2 Thévenin et Norton
2.3 Exercices d'applications
3. Les circuits RLC en régime sinusoïdal, filtre, diagramme de Bode
3.1 Le diagramme de Fresnel
3.2 Les nombres complexes
3.3.L’impédance en régime sinusoïdal
3.3.1 La résistance
3.3.2 La capacité
3.3.3 La bobine
3.4 Le diagramme de Bode
4. Les circuits RC en régime transitoire
4.1 Etude du circuit RC
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OPTIQUE
0 Histoire de l'optique
1 L’optique géométrique
1.1 La Lumière .
1.1.1 Propagation dans le vide .
1.1.2 Propagation dans les milieux matériels .
1.2 L’optique géométrique .
1.3 Principes et lois fondamentales .
1.3.1 Principe de Fermat .
1.3.2 Lois de Snell-Descrates .
1.3.3 Conséquences .
1.4 Les dioptres sphériques .
1.5 Les lentilles minces .
1.5.1 Relations de conjugaisons
1.5.2 Constructions géométriques
1.5.3 Grandissement transversal et longitudinal g, grossissement G
2 Le doublet
2.1 Foyers du doublet .
2.2 Grandissement du doublet .
2.3 Tracés des rayons particuliers du doublet .
2.4 Points Principaux H et H
2.5 Formule de Gullstrand
3 Le Miroir
3.1 Miroir plan
3.2 Miroir sphérique
3.3 Relation de conjugaison
3.4 Construction des rayons .
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0 Histoire de l'électricité
Je vous présente une histoire à partir d'informations glanées sur Wikipedia et sur d'autres sites, et en
y ajoutant mes souvenirs. Elle est évidemment non exhaustive, l'avantage de connaître
l'histoire c'est que souvent elle permet de mieux mémoriser les concepts et de comprendre
comment les observations de la nature ont permis de construire une architecture
mathématique afin de prévoir les conséquences d'une expérience.
Depuis la nuit des temps, le phénomène électrique le plus fascinant et le plus terrifiant exerce son
pouvoir sur les hommes : la foudre. Les Grecs de l'antiquité n'avaient aucun soupçon sur l'origine
électrique de la foudre. Pour eux, elle indiquait que Zeus, le roi des dieux était en colère et cette
interprétation divine de la foudre était partagée par toute les civilisations de l'Antiquité.
Les aimants sont connus depuis l’Antiquité, sous le nom de magnétite, pierre trouvée à proximité de la
ville de Magnesia (Turquie). C’est de cette pierre que provient le nom actuel de champ magnétique.
Les chinois furent les premiers à utiliser les propriétés des aimants, il y a plus de 1000 ans, pour faire
des boussoles. Elles étaient constituées d’une aiguille de magnétite posée sur de la paille flottant sur
de l’eau contenue dans un récipient gradué.
Pourtant, c'est à Thalès de Millet, un mathématicien et philosophe grec, habitant Millet, une petite cité
d'Asie Mineure, à qui l'on doit la première découverte scientifique d'un phénomène électrique. En
effet, Thalès, connu de tous les collégiens par son célèbre théorème, observe vers 600 avant J.-C. que
l'ambre jaune, résine fossile dont on fait des bijoux, frottée à une peau de chat attire de petits corps
léger tels des brins de paille ou des barbes de plumes. Il convient de préciser à cet instant de l'histoire
que l'ambre jaune se nomme en Grec : êlektron. Évidemment, Thalès ne disposait pas à l'époque des
informations nécessaires pour interpréter correctement le phénomène observé, il affecta à l'ambre un
pouvoir divin : "tout est plein de Dieu, affirmait-il, l'ambre frotté a une âme puisqu'il possède une
puissance attractive."
On peut aisément reprendre l'expérience de Thalès en frottant, par exemple, un bâton de verre avec de
la fourrure de chat ou de la laine. Le verre se charge alors positivement, des électrons qui lui
appartiennent sont arrachés par la fourrure qui se charge négativement. Quand on approche le bâton de
verre de petits objets légers, comme des bouts de papier, ceux-ci, par l'intermédiaire de leurs électrons
périphériques sont attirés par le bâton de verre.
Nous savons maintenant que ce phénomène est de l'électricité statique, il faudra attendre le 17ème
siècle pour en comprendre les mécanismes, et notamment pour que l'électricité apparaisse en tant que
science. Le précurseur est un Anglais, natif de Colchester qui se nomme William Gilbert (1544-1603).
Il reprend les expériences des Grecs et compare les forces électriques et magnétiques. Alors que
l'ambre frottée attire tous les corps légers, il remarque que l'aimant n'attire que le fer ou d'autres
aimants. En 1600, il publie ses travaux dans un ouvrage qui fera longtemps référence De Magnete.(à
cause de la magnétite) C'est à lui que l'on doit l'utilisation du mot êlektron pour qualifier les
phénomènes associés à l'électricité, il en découlera par la suite tout les termes donnés aux phénomènes
électriques : électron, électrique, électronique, électrotechnique ...
Il est intéressant de noter que partout en Europe et aux Etats-Unis, les scientifiques ont travaillé avec
des machines électrostatiques, cette électricité due aux frottements est appelé tribologie. Par exemple,
cette électricité statique sera utilisée par Galvani en Italie pour réaliser des expériences sur les cuisses
de grenouilles, il appellera cela l'électricité animale, il découvrira aussi la propagation des ondes
électromagnétiques générées par une étincelle.
Plus tard, le fameux bourgmestre de Madgebourg (Allemagne), Otto Von Guericke (1602-1686)
invente la première machine électrostatique, véritable générateur d'électricité : Il frotte avec ses mains
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une boule de souffre en rapide rotation. Il observe qu'a l'aide de cette boule il pouvait, par contact,
électriser une autre boule et, ensuite, que les deux boules se repoussaient lorsqu'il les approchait l'une
de l'autre. Il obtint ainsi la première étincelle électrique. La machine de Von Guericke sera
successivement améliorée et permettra l'obtention de découvertes majeures.
Ainsi Stephen Gray (1666-1736) fait en 1729 la distinction entre conducteur et isolant. Comme
souvent la découverte est fortuite. Il souhaitait réaliser des expériences sur la transmission de
l'électricité. Il relia une corde chanvre à une machine électrique, la corde étant suspendue au plafond
par des cordonnets de soie. L'extrémité de la corde de chanvre continue à attirer des duvets de plume,
l'électricité se transmet, mais soudain un cordonnet de soie casse. Alors Gray le remplace par un fil de
cuivre plus résistant. L'extrémité de la corde de chanvre n'attire plus le duvet. Gray comprend que
l'électricité s'échappe par le fil de cuivre. Gray distingue les corps isolants qui s'électrisent par
frottement tels le verre, le diamant, les huiles, les oxydes métalliques... de ceux, conducteurs qui ne
s'électrisent pas comme les métaux, les solutions acides, l'eau, le corps des animaux...
Le botaniste français Charles du Fay (1698-1739) reprend les expériences de Gray pour étudier les
interactions des corps chargés. Il observa que deux objets du même matériau et électrisés de la même
façon se repoussent. Deux tiges de verre frottées avec de la soie se repoussent, tous comme deux
morceaux d'ambres frottés avec la fourrure. En revanche, le verre attire à la fois, l'ambre et la soie
chargés. Vers 1934, du Fay conclut qu'il existe deux "sortes" d'électricité, c'est à dire deux sortes de
charges électriques. A la même époque les salons féminins font de la physique expérimentale avec
l'Abbé Nollet et tous les moyens sont bons afin d'expérimenter les passages de l'électricité à travers les
corps et les matériaux, on raconte que l'abbé mis une décharge sur une vingtaine de moines des
Chartreux, sans doute afin d'éprouver leurs croyances. L'abbé Nollet rédigea d'ailleurs en 1735 le
premier cours de physique expérimentale.
Pour Benjamin Franklin (1706-1790), inventeur du paratonnerre(dont le premier fut construit à Paris
en 1776-77), le fluide électrique apparaît sous deux états, notés + et - et ainsi la décharge d'un corps
électrisé correspond à la remise à l'équilibre d'un excès de l'une des deux charges du corps. Il
développe cette notion à partir de 1750, énonce le principe de conservation de la charge électrique, et
interprète l'attraction exercée par un corps électrisé sur un corps léger par une action à distance. Les
années qui suivirent le passage de Benjamin Franklin à Paris furent propices à des modes
surprenantes. On vit les robes «lightning conductor» et des chapeaux ,des gants, des blagues à tabac
de Benjamin Franklin. Franklin n'a pas simplement inventé le paratonnerre, il fut gouverneur,
écrivain, et chargé par le roi Louis XVI de rapporter sur les agissements de Mesmer qui proposait des
soins médicaux en utilisant le magnétisme animal...Comme pour l'abbé Nollet, il existe de
croustillantes histoires sur les expérimentations...
C'est Charles Augustin Coulomb (1736-1806), né à Angoulême, qui énoncera la loi la plus importante
de l'électrostatique, dite loi de Coulomb, et donnera la forme mathématique de la force électrique
qu'exercent deux charges électriques l'une sur l'autre. Cette loi portera le nom de Coulomb à la
postérité, car il sera attribué à l'unité de charge électrique. Il fabriqua une machine avec un pendule de
torsion. L'unité de charge électrique s'exprime en Coulomb, symbole : C.
En même temps que les travaux en France de Coulomb, il y a aux Pays Bas, la mise au point avec une
machine électrostatique par Musschenbroek (1692-1761), de la bouteille de Leyde qui est la première
capacité, c'est à dire un réservoir de charge électrique. Ce scientifique Hollandais travailla surtout sur
la résistance des matériaux.
Malgré ces progrès importants de la nouvelle science électrique, celle-ci ne fournit pas d'application
pratique au contraire de la mécanique, de l'optique ou de la chimie. C'est parce que l'électricité
générée par les machines du 17ème-18ème siècles est de forme "statique". Cela signifie que, sauf lors
des brusques décharges, la charge électrique générée reste immobile. Il faudra attendre la révolution
que fut la pile Volta (1800) ,Alessandro Volta (1745-1827), pour voir l'électricité sortir des expériences
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