VUIBERT
PHYSIQUE
MPSI-PCSI-PTSI
MÉTHODES•EXERCICES•PROBLÈMES
SOMMAIRE
1. Oscillateurs harmoniques – 2. Propagation d’un signal – 3. Optique géométrique
4. Introduction au monde quantique – 5. Circuits dans l’ARQS – 6. Circuits linéaires
du premier ordre – 7. Oscillateurs amortis – 8. Filtrage linéaire – 9. Cinématique du
point – 10. Loi de la quantité de mouvement – 11. Énergétique du point matériel
12. Mouvement de particules chargées – 13. Loi du moment cinétique – 14. Mou-
vement dans le champ d’une force centrale conservative – 15. Description macro-
scopique de la matière – 16. Description microscopique de la matière – 17. Premier
principe de la thermodynamique – 18. Second principe de la thermodynamique
19. Machines dithermes – 20. Statique des fluides – 21. Champ magnétique – 22. Forces
de Laplace – 23. Lois de l’induction – 24. Induction de Neumann – 25. Induction de Lorentz.
Les auteurs :
Frédéric Bruneau est professeur en classes préparatoires scientifiques au lycée Victor
Grignard à Cherbourg.
Marc Cavelier est professeur en classes préparatoires scientifiques au lycée Joliot-Curie à
Rennes.
Yann Lozier est enseignant dans le secondaire, détaché en classes préparatoires scientifiques.
Marc Strubel est professeur en classes préparatoires scientifiques au lycée Albert Schweitzer
à Mulhouse.
ISBN : 978-2-311-40225-4
www. .fr
Des ouvrages pour faire la différence :
– des synthèses de cours et méthode pour acquérir les connaissances indispensables
et réviser efficacement,
– de nombreux exercices intégralement corrigés pour s’entraîner et se mettre en situation
d’épreuve : exercices guidés, exercices d’application et problèmes.
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MÉTHODES•EXERCICES•PROBLÈMES
F. Bruneau
M. Cavelier
Y. Lozier
M. Strubel
MÉTHODES
EXERCICES
PROBLÈMES
Physique MPSI-PCSI-PTSI-9782311402254.indd Toutes les pages 24/07/15 11:51
Table des matières
Chapitre 1. Oscillateur harmonique ............................... 5
1. Tension exercée par un ressort ; allongement
5
– 2. Équation de l’oscillateur harmo-
nique
6
– 3. Solutions de l’équation de l’oscillateur harmonique
7
– 4. Les fonctions
sinus et cosinus en physique
8
– 5. Énergie mécanique de l’oscillateur harmonique
10
–
6. Portrait de phase 11 –Exercices 12 –Corrigés 17
Chapitre 2. Propagation d’un signal ............................... 27
1. Exemples de signaux – spectre
27
– 2. Onde progressive
28
– 3. Onde progressive
sinusoïdale
30
– 4. Interférences entre deux ondes de même fréquence
31
– 5. Bat-
tements
34
– 6. Ondes stationnaires mécaniques
34
– 7. Diffraction à l’infini
35
–
8. Polarisation rectiligne de la lumière (PCSI) 36 –Exercices 37 –Corrigés 44
Chapitre 3. Optique géométrique ................................. 51
1. Lumière dans les milieux
51
– 2. Lumière et miroirs
53
– 3. Les lentilles minces
54
–
Exercices 56 –Corrigés 60
Chapitre 4. Introduction au monde quantique ........................ 69
1. Aspect corpusculaire de la lumière : introduction du photon
69
– 2. La dualité onde-
corpuscule
70
– 3. Fonction d’ondes et probabilités
71
– 4. Relation d’indétermination
de Heisenberg (PCSI, PTSI)
71
– 5. Quantification de l’énergie d’une particule confi-
née 72 –Exercices 73 –Corrigés 79
Chapitre 5. Circuits dans l’ARQS .................................. 85
1. Généralités sur le courant électrique
85
– 2. Dipôles et courant
86
–
Exercices 90
–
Corrigés 94
Chapitre 6. Circuits linéaires du premier ordre ........................ 103
1. Mise en équation des circuits
103
– 2. Décharge en régime libre
106
– 3. Portrait de
phase 107 –Exercices 109 –Corrigés 112
Chapitre 7. Oscillateurs amortis .................................. 121
1. Circuit oscillant
121
– 2. Régime sinusoïdal forcé
125
–
Exercices 126
–
Corrigés 130
Chapitre 8. Filtrage linéaire ..................................... 139
1. Période et fréquence
139
– 2. Filtre RC série
140
– 3. Les différents filtres
142
–
Exercices 145 –Corrigés 149
Chapitre 9. Cinématique du point ................................ 159
1. Description du mouvement
159
– 2. Repérages classiques
160
– 3. Vitesse d’un point
dans un référentiel
162
– 4. L’accélération d’un point
163
– 5. Choix du repérage
164
–
6. Mouvements fondamentaux
164
– 7. Mouvement des solides
164
–
Exercices 166
–
Corrigés 171
1
Table des matières
Chapitre 10. Loi de la quantité de mouvement ........................ 179
1. Éléments cinétiques
179
– 2. Les lois de Newton et leurs conséquences
179
– 3. Ré-
solution d’un problème de mécanique du point
181
– 4. Les forces usuelles
181
–
Exercices 183 –Corrigés 190
Chapitre 11. Énergétique du point matériel .......................... 197
1. Puissance et travail d’une force
197
– 2. Théorème de la puissance et de l’énergie
cinétique
197
– 3. Forces conservatives et énergie potentielle
198
– 4. Énergie mé-
canique
199
– 5. Mouvement conservatif à une dimension
199
–
Exercices 201
–
Corrigés 205
Chapitre 12. Mouvement de particules chargées ...................... 213
1. Force de Lorentz et champ électromagnétique
213
– 2. Mouvement d’une particule
chargée dans un champ électrique uniforme et indépendant du temps
214
– 3. Mouve-
ment d’une particule chargée dans un champ magnétique uniforme et indépendant du
temps 215 – 4. Produit vectoriel 216 –Exercices 218 –Corrigés 223
Chapitre 13. Loi du moment cinétique ............................. 229
1. Moment cinétique
229
– 2. Moment d’une force
230
– 3. Loi du moment ciné-
tique pour un point matériel
232
– 4. Solide en rotation autour d’un axe fixe ∆
233
–
5. Approche énergétique pour un solide en rotation et un système déformable
233
–
Exercices 235 –Corrigés 240
Chapitre 14. Mouvement dans le champ d’une force centrale conservative .... 249
1. Force centrale conservative
249
– 2. Force centrale et conservation du moment ci-
nétique
250
– 3. Force centrale conservative et conservation de l’énergie
251
– 4. Cas
particulier du mouvement dans un champ newtonien
252
–
Exercices 254
–
Corri-
gés 258
Chapitre 15. Description macroscopique de la matière ................... 265
1. Systèmes et variables d’état
265
– 2. État physique et équation d’état
267
–
Exer-
cices 271 –Corrigés 276
Chapitre 16. Description microscopique de la matière ................... 283
1. Les trois échelles
283
– 2. Distribution des vitesses dans un gaz
284
– 3. Pression
cinétique
286
– 4. Température cinétique
287
– 5. Énergie interne
287
–
Exercices 289
–Corrigés 294
Chapitre 17. Premier principe de la thermodynamique .................. 303
1. Transformation thermodynamique d’un système
303
– 2. Échange d’énergie méca-
nique avec l’extérieur
304
– 3. Échange d’énergie par transfert thermique avec l’ex-
térieur
305
– 4. Premier principe de la thermodynamique
306
– 5. Enthalpie
308
–
Exercices 310 –Corrigés 314
Chapitre 18. Second principe de la thermodynamique ................... 321
1. Réversibilité-Irréversibilité
321
– 2. Deuxième principe
322
– 3. La fonction entro-
pie 323 – 4. Bilan entropique 324 –Exercices 325 –Corrigés 330
2
MÉTHODE
12
Chapitre
Mouvement
de particules chargées
1. Force de Lorentz et champ électromagnétique
Définition 12.1. Force de Lorentz et champ électromagnétique
Soit, en un point
M
à un instant
t
, une particule ponctuelle de charge
q
, de
masse
m
et de vitesse
−→
vR
(
M,t
)par rapport à un référentiel
R
. On nomme
force de
Lorentz −→
FL
la résultante des forces auxquelles elle est soumise du fait de sa charge.
•
La composante de
−→
FL
indépendante de la vitesse est la force électrique
−→
FE
qui définit le champ électrique en Mà l’instant tdans R,−→
ER(M,t) = −→
FE
q.
•
La composante de
−→
FL
dépendante de la vitesse est la force magnétique
−→
FB
qui définit le champ magnétique en
M
à l’instant
t
dans
R
,
−→
BR
(
M,t
)tel que
−→
vR(M,t)∧−→
BR(M,t) = −→
FB
q.
L’ensemble des champs
−→
ER
(
M,t
)et
−→
BR
(
M,t
)constitue le champ électromagné-
tique dans le référentiel R.
La force de Lorentz est donc donnée par :
−→
FL=q−→
ER(M,t) + −→
vR(M,t)∧−→
BR(M,t).
Propriété 12.1. Champ électrique
•
Le champ électrique est produit par les charges et sa structure dépend de
leur répartition spatiale.
•
En appliquant une différence de potentiel
U
entre deux plaques planes
parallèles et distantes de
d
, on obtient un champ électrique perpendiculaire
...
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