Sciences physiques

Le prix Nobel de physique a été attribué cette année à 1 chercheur américain, M. Yoichiro Nambu et 2 chercheurs japonnais, M. Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa “pour la découverte du mécanisme de brisure spontanée de symétrie en physique subatomique” (Réf : le monde - le site officiel des prix nobel).

Si le prix nobel de physique 2007 était un tant soit peu compréhensible par les non-initié à travers ses applications pratiques (voir Un prix Nobel Français dans notre ordinateur !) le prix Nobel 2008 semble beaucoup plus éloigné de nos préoccupations quotidiennes. De quoi s’agit-il ?

La symétrie et la physique

La symétrie des objets naturels (les flocons de neige, certaines fleurs) a quelque chose de fascinant car relativement rare. Lorsqu’on parle de symétrie en physique, il ne s’agit pas de celles des objets naturels. Il s’agit en fait de la symétrie des lois de la physique. Mais que vient faire la symétrie dans ces lois ?

La symétrie pour les physiciens est la capacité à rester insensible à certaines transformations. Ainsi, un objet symétrique comme un carré, une sphère ou un flocon de neige n’est pas discernable de son reflet dans un miroir. Si l’on compare l’objet original et son reflet, on verra le même objet : on parle dans ces conditions de symétrie par réflexion dans un miroir.

Dans leur recherche de loi pour comprendre et prévoir le monde, les physiciens ont tendance à rechercher de telles symétries pour simplifier ces lois. C’est à dire qu’ils élaborent des lois qui sont inchangées lorsqu’on appliquent certaines transformations.

La symétrie par translation dans l’espace

Prenons un exemple simple de symétrie : la symétrie par translation dans l’espace. C’est une symétrie suivie par les lois de la physique. Celle-ci stipule que si l’on fait une certaine mesure ou qu’on applique une certaine loi quelque part dans l’espace les résultats que l’on obtiendrait ne dépendent pas de l’endroit où l’on fait la mesure. Cette loi parait bien étrange si l’on réfléchit un peu. En effet, si je mesure la valeur de la gravitation exercée par la Terre à Paris, je n’obtiendrais par la même valeur que si je faisais la mesure 400 km au-dessus du sol Parisien.

La symétrie par translation ne serait-elle pas vérifiée ? En réalité pour appliquer la symétrie par translation dans l’espace à la gravitation exercée par la terre, il faudrait également déplacer la terre de 400 km à la verticale de Paris. Dans ces conditions, la valeur de la gravitation sera la même.

Cela parait stupide d’inventer une loi qui dit que la valeur de la gravitation à Paris serait la même si on déplace la Terre dans l’espace. Quel est l’intérêt de chercher à vérifier une telle symétrie ? Cela permet de simplifier l’expression de la loi de gravitation : au lieu d’exprimer la loi de la gravitation à chaque position possible de la terre, on l’exprime d’une manière générale à une certaine distance de la terre. D’ailleurs, la preuve que la symétrie par translation d’espace est bien vérifiée est obtenue en se rappelant que la terre est toujours en mouvement autour du soleil et que s’il on fait la mesure de la gravitation Terrestre un certain jour à une certaine heure à Paris, on trouvera la même valeur un autre jour alors que nous sommes plusieurs millions de kilomètre plus loin.

La recherche de la symétrie dans les lois de la physique n’est donc pas une recherche esthétique de perfection mais plutôt une recherche de simplification de ces lois.

Quelles sont les symétries vérifiées par les lois de la physique ?

Il y a comme on vient de le voir la symétrie par translation dans l’espace. On admet généralement que la symétrie par translation de temps est également juste : les lois physiques vérifiée aujourd’hui était vrai hier et seront vrais demain (par exemple si l’on recréé les conditions du big bang dans le LHC ce qu’on trouvera était valable au moment du big bang). Bien entendu, cette loi est difficile à vérifier au-delà de la mémoire humaine mais elle est nécessaire pour décrire ce qu’a été le monde avant que la science ne commence à le décrire. Si cette symétrie était violée, alors on ne pourrait plus dire grand chose du passé puisque cela voudrait dire que les lois de la physique telles qu’elles s’expriment aujourd’hui n’étaient pas valable dans le passé.

Une symétrie fondamentale pour l’histoire de la physique est la symétrie de vitesse constante en ligne droite. Celle-ci affirme que toutes les lois physiques doivent être les même pour 2 observateurs en déplacement à vitesse constante l’un par rapport à l’autre. Autrement dit, si l’on se déplace à vitesse constante en ligne droite et que l’on ne peut pas observer l’environnement (imaginons par exemple un voyage interstellaire dans un vaisseau sans hublot), aucune expérience ne nous permet de déterminer si nous sommes en mouvement ou non. Cette symétrie est à l’origine de la relativité d’Einstein : c’est en réalisant qu’elle n’était pas vérifiée par les lois du mouvement de Newton appliquée à l’électromagnétisme qu’Einstein proposa de nouvelles lois du mouvement.

Un dernier exemple de symétrie qui fonctionne : les phénomènes ne sont pas modifiés lorsqu’on remplace un atome par un autre du même type.

Certaines symétries ne fonctionnent pas

Bien entendu, cela devient tout de suite plus intéressant (et du coup plus compliqué) lorsqu’on s’intéresse aux symétries qui ne sont pas vérifiées. On parle alors de brisure de symétrie.

La dépendance au changement d’échelle en est un exemple assez simple à se représenter. Imaginons un objet qui ait une taille de l’ordre de 1 m : une table en bois par exemple. Peut-on construire de la même façon une table avec une échelle différente ? Une table de 10 m ? Une table de 100 m ? Une table de 1 km ? Il est évident que non. Il arrivera un moment où le plateau de bois s’affaissera sous son propre poids. Les lois de la physique ne sont donc pas insensibles au changement d’échelle.

Une autre symétrie classique qui ne fonctionne pas est celle évoquée au début de cet article sur la réflexion par un miroir. C’est difficile à expliquer mais même si 99.9% des lois de la physique vérifient une symétrie droite-gauche, toutes ne le sont pas. En particulier, dans le monde des particules, la droite et la gauche est définie de manière absolue.

La brisure de symétrie Matière-antimatière

Une brisure de symétrie qui présente un intérêt tout particulier pour nous (et pour les lauréats du prix Nobel de physique 2008) est la brisure de symétrie Matière-Antimatière.

Toutes les particules qui constituent la matière ont une soeur jumelle “anti-particulaire”. Ainsi, il existe une particule nommée positon qui a toutes les caractéristiques d’un électron mais qui est chargé positivement. La rencontre entre une particule et son homologue anti-particule est détonante : les 2 entités disparaissent et libèrent toute leur énergie de masse (voir l’article “la masse de ce produit contient l’équivalent de 21 000 tonnes de TNT par gramme”). Conseil de physicien : si vous rencontrez un jour un extra-terrestre assurez-vous qu’il est fait de matière car une poignée de main entre un terrien-matière et un extraterrestre-antimatière ne donnerait qu’un flash intense d’énergie.

La symétrie matière-antimatière stipule qu’un monde fait d’antiparticule a exactement les mêmes caractéristiques qu’un monde fait de particules. C’est à dire que nos lois de la physique ne font pas la différence entre matière et anti-matière : pour notre extraterrestre-antimatière la tartine tombe toujours du côté beurré de sa planète-antimatière.

Au moment du big bang, il y a 14 Milliards d’année, la quantité de matière et d’antimatière était exactement la même. Comme nous habitons dans un univers fait de matière, il faut bien qu’il y ait une petite différence entre une particule et son homologue antiparticule. Cette différence accordant un petit avantage à la matière qui a pu perdurer au-delà des premières seconde du big bang. Les travaux des 3 Nobels de physique 2008 ont permis d’expliquer cette petite différence, cette brisure spontanée de symétrie matière-antimatière.

Comme l’ont dit les membres du comité Nobel “nous sommes tous des enfants de la brisure de symétrie” et cela valait bien un Nobel à ceux qui ont su l’expliquer.

Références bibliographiques : chapitre “la symétrie en physique” in la nature de la physique - R. Feynman

Les connaissances et savoir-faire exigibles du programme officiel sont essentielles pour réussir son année de terminale. Les connaître sur le bout des doigts est la clé de la réussite. Commençons par le commencement (pour une fois…) et voyons ce qu’il faut retenir sur les ondes mécaniques progressives :

Définir une onde mécanique et sa célérité.

Définition “officielle” : une onde mécanique est le phénomène de propagation d’une perturbation dans un milieu matériel sans transport matériel.

La célérité est la vitesse de propagation du phénomène

Définir et reconnaître une onde transversale et une onde longitudinale.

Onde transversale : la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation. Exemples : onde sur une corde, vagues sur l’eau, ondes sismiques S mais aussi mon exemple d’onde favori : la ola.

Onde longitudinale : la perturbation a lieu dans le même sens que la direction de la propagation. Ex. : onde sonore, onde sismique P.

Connaître et exploiter les propriétés générales des ondes.

4 propriétés à connaître :

• Direction : Une onde se propage à partir de la source dans toutes les directions possibles.
• Energie : La perturbation se transmet de proche en proche : il y a transfert d’énergie mais sans transport de matière.
• Célérite : La célérité est une propriété du milieu, sauf mention contraire, elle ne dépend pas des propriétés de l’onde.
• Croisement : 2 ondes peuvent se croiser sans se perturber

Définir une onde progressive à une dimension et savoir que la perturbation en un point du milieu, à l’instant t, est celle qu’avait la source au temps t’ = t - τ, τ étant le retard (dans un milieu non dispersif).

Une onde progressive à une dimension est une onde qui se propage dans une seule direction. C’est par exemple le cas d’une onde qui se propage sur une corde ou d’une onde sonore qui se propage dans un tube.

Lorsque le milieu est non dispersif (nous y reviendrons plus tard), la perturbation se transmet de proche en proche et le mouvement d’un point est le même que celui de ses prédécesseurs, mais décalé dans le temps. Ainsi, tous les points reproduisent le mouvement de la source avec un décalage dans le temps. Ce décalage est appelé retard.

Exploiter la relation entre le retard, la distance et la célérité.

Si l’on considère 2 points séparés par une distance d, leur mouvement est décalé dans le temps d’un retard τ. Par définition de la célérité v, on peut écrire v=d/τ.

Exemple d’application : imaginons que l’on entende le tonnerre 5 secondes après avoir vu l’éclair. Sachant que la célérité du son dans l’air est de 340 m/s on en déduit que la foudre est tombée à une distance d=v.τ soit d = 340×5 = 1700 m.

Exploiter un document expérimental (chronophotographies, vidéo) donnant l’aspect de la perturbation à des dates données en fonction de l’abscisse : interprétation, mesure d’une distance, calcul d’un retard et/ou d’une célérité.

Il s’agit d’exploiter des documents du type :

Les mesures de distance se font directement sur le schéma en utilisant l’échelle approprié. Le retard se détermine à l’aide du temps entre les 2 mesures. Par exemple, sur le schéma ci-dessus, on voit que les points A et B sont distants de 50 cm et que le point B reproduit le mouvement de A avec un retard de 0,25 s, on en déduit donc que la célérité vaut 0,5/0,25=2 m/s

Exploiter un document expérimental (oscillogrammes, acquisition de donnéesavec un ordinateur…) obtenu à partir de capteurs délivrant un signal lié à la perturbation et donnant l’évolution temporelle de la perturbation en un point donné : interprétation, mesure d’un retard, calcul d’une célérité, calcul d’une distance.

Ce point ressemble beaucoup au point précédent mais traite de l’évolution temporelle en un point et non pas de la forme de la courbe à un instant donné. Il s’agit donc de document du type :

A l’aide de ce document, on peut déterminer la célérité : on voit que le point B a un retard de 0,25 s sur A (il se met en mouvement à 0,55 s alors que A se met en mouvement à 0,3 s). Sachant qu’ils sont séparés de 0,5 m, on déduit que la célérité est égale à 0,5/0,25 = 2 m/s.

Cette photo serait la première photo d’une planète extra-solaire !

Cela reste encore a démontrer mais le cercle rouge de la photo ci-dessus serait une planète de masse 8 fois supérieure à Jupiter qui serait en orbite autour d’une étoile de type solaire à 330 fois la distance Terre-soleil. Celle-ci est située à 500 années-lumière de la terre.

Jusqu’à maintenant, toutes les preuves d’existence de planètes extra-solaires était indirectes. En effet, les astronomes détectent la présence de planète autour d’une étoile par les variations de luminosité de cette dernière : lorsque la planète passe devant l’étoile, elle intercepte un peu de sa lumière. Cette variation de luminosité est infime ce qui rend la détection de planète extra-solaire très difficile. Cette photo serait donc une première historique puisqu’on y voit un objet qui pourrait être une planète orbitant autour d’une étoile autre que le soleil !

Il reste encore à démontrer que c’est bien le cas, ce qui devrait prendre environ 2 ans : le temps de vérifier que cet objet se déplace bien avec son étoile.

Source : Gemini observatory

Voilà, les résultats sont tombés et vous n’êtes pas admis au premier groupe. Comment se préparer à cet oral décisif du 8 Juillet prochain ?

Comment ça fonctionne ? Pourquoi êtes-vous convoqués ?

Vous êtes convoqué si votre moyenne est comprise en 8 et 10. Il s’agit de passer un oral de rattrapage qui permet au jury de “récupérer” les candidats qui auraient eu un accident.

Comment est-ce que cela va se dérouler ?

Vous êtes convoqué Mardi à 8h00 (ou quelque chose comme ça). La première chose qui vous sera demandé est votre choix de discipline à repasser. Votre heure de passage dépendra du choix des autres candidats. Le jury vous dira alors à quelle heure et dans quelle salle vous devez vous présenter. A l’issu du passage de tous les candidats, le jury se réunit à nouveau pour statuer sur le cas de chacun. C’est après cette ultime réunion que les résultats des élèves du 2nd groupe sont donnés.

Généralement, le jury fait en sorte que tout le monde passe dès le premier jour de sorte à ce que les résultats soient données dans la foulée. Cependant lorsqu’un jury doit repêcher de très nombreux candidats sur une seule discipline, il n’est pas possible de faire passer tout le monde dès le premier jour et il y a des candidats qui sont convoqués sur le 2ème jour.

Quelle discipline choisir ?

Ce choix est important. La note à l’issu de l’oral remplacera la note de l’écrit. Dans le cas des disciplines dont la note est la combinaison de plusieurs épreuves, il faut faire très attention car l’oral remplacera l’ensemble des épreuves qui constitue votre note actuelle. Par exemple, en physique où la note d’écrit est sur 16 et les 4 autres points viennent des épreuves expérimentales, la note d’oral sera sur 20 et annulera vos résultats de l’écrit ET de l’évaluation des capacités expérimentales.

Ces oraux servent au jury à repêcher les élèves qui aurait eu de mauvaises notes par accident. Ainsi, il est évident que si vous avez eu 7 en physique alors que toute l’année vous tourniez atour de 12, il faut essayer de rattraper la physique. Pour choisir quels oraux passer, choisissez les 2 disciplines pour lesquels le coefficient est le plus élevé et où l’écart entre les résultats à l’année et la note obtenue au bac est le plus grand. Par exemple, pour un bac S, s’il vous manque 20 points et que vous avez eu 7 en philo (coeff 2) alors que vous tourniez à 10 tout au long de l’année, la philo n’est pas le bon choix car il sera difficile de gagner plus de 3×2 = 6 points.

En physique, à quoi s’attendre ?

L’épreuve dure 20 minutes avec 20 minutes de préparation. Lors de votre arrivée dans la salle, le correcteur vous fera tirer au sort un sujet comportant 2 questions : l’une de physique, l’autre de chimie. Dans le cas où vous aviez choisi l’enseignement de spécialité, l’un des exercice portera sur la spécialité. L’usage de la calculatrice est interdit pour l’ensemble de l’épreuve. 12 points seront attribués à l’évaluation des connaissances scientifiques et de savoir-faire (voir les connaissances exigibles de physique et de chimie).

Une fois que vous aurez proposé votre réponse aux questions posées, le correcteur pourra vous posez quelques petites questions autour des connaissances exigibles. Bien souvent, il s’agit de questions simples dont le but n’est pas de “planter” le candidat mais plutôt de voir ce qu’il sait. Il m’est même arrivé de proposer à des candidats (qui avaient une très mauvaise note et qui avaient fait une mauvaise prestation sur les exercices) de choisir ce qu’il voulait développer dans le programme de physique ou de chimie pour voir s’il avaient appris un minimum de chose.

Enfin, l’épreuve aura lieu dans une salle comportant du matériel afin que le correcteur puisse vous poser des questions sur le matériel expérimental et sur son utilisation.

 Comment se préparer dans les 3 jours qui viennent ?

Dans un premier temps, il faut choisir très vite les 2 disciplines que vous allez repasser. Ensuite, il faut bosser à fond ces disciplines en utilisant les méthodes habituelles de révision : identifier ce qu’on attend de vous, revoir ses fiches de révision, se faire des petites interro expresses à l’impromptu.

Pour la physique, il faut revoir encore, et encore, les connaissances et savoir-faire exigibles de physique (rappelées ici) et de chimie (que l’on retrouvera ici). Et se remettre en tête le nom du matériel. Pour cela, utilisez les fiches de fin de vos manuels de physique et de chimie. On trouve sur le site de l’académie de Nancy-Metz une page pour réviser la verrerie de chimie.

Le jour J, gérer son stress (quelques conseils sur ce blog), et donner le meilleur de soi-même ! N’oubliez les recommandations d’usage pour les résultats numériques : chiffres significatifs (voir l’article à ce sujet) et unités.

Voilà ça y est, on y est, pour la physique c’est fini !

Voici le corrigé de l’épreuve de physique - bac 2008

Et voici le  corrigé exercice de spécialité physique - bac 2008

Un sujet pas trop dur. Beaucoup de petites questions, pas de grands développements, pas de gros calculs complexes.

Bon repos pour les maths et l’anglais demain.

Ah le stress ! Il faut se rappeler que c’est la réponse corporelle que nous a laissé en héritage nos ancêtres : accélération cardiaque, sudation, mains moites, adrénaline, corps en état d’alerte etc. bref tout ce qu’il faut pour se barrer en courant. Problème : si se tirer tout azimut était la bonne solution il y a 50 000 ans face à un tigre à dents de sabres, cette solution est particulièrement inadaptée pour passer le bac ! Merci Papy le singe pour ce bon cadeau !

Donc votre corps veut partir en courant et votre raison vous intime l’ordre de ne pas bouger : ça fait conflit, vous avez la tête vide. Alors comment faire ?

• Respirez, soufflez et ralentissez la mécanique. On peut même s’étirer un peu (les jambes, le cou) : avant de rentrer dans la salle d’examen mais aussi pendant. Ne rajoutez pas à l’hyperactivité du corps une hyperactivité émotionnelle. Recentrez-vous sur l’expiration tout doucement.
• Ensuite, profitez de toute cette activité pour décupler vos forces : on est souvent beaucoup plus intelligent en examen qu’à d’autre moment. Ce stress qui vous titille les entrailles est un excellent carburant à l’intelligence.
• En cas de trou, pas de panique : ça peut arriver et plus on panique et moins on est à même de trouver la bonne solution. Vous butez sur un exercice ? Vous avez l’impression que tout est faux dans le raisonnement que vous êtes en train de développer ? Faîtes une petite pause, puis reprenez le raisonnement calmement depuis le début, traquer les petites erreurs anodines qui vous écarte de la solution juste. Bien souvent, de petites erreurs (comme une erreur de signe en recopiant une formule) sont à la base de raisonnements complétement faux.
• Enfin, ayez toujours à portée de main une petite bouteille d’eau : le cerveau en est un grand consommateur.
• Enfin, du repos et du sommeil. Je sais que ce n’est pas facile mais il faut arriver dans la salle d’examen bien reposé. Evitez donc les excitants (café, cigarette, alcool), votre corps produira tout ce dont vous aurez besoin en adrénaline au bon moment !

A noter ce mois-ci, dans le magazine “la recherche”, un article bac to basics sur les acides et les bases : l’occasion d’affermir ses connaissances sur la 2ème partie du programme de Chimie de TS. On trouve sur le site du magazine des extraits de l’article différents chaque semaine.

Cette semaine, on y apprend l’origine historique des acides et des bases. La semaine prochaine :  comment les acides et les bases sont définis ?

Continuons donc avec les connaissances et savoir-faire exigibles pour l’épreuve de physique du bac. Je sais que mes lecteurs qui ne passent pas le bac n’apprécient que moyennement ces articles un peu trop technique… un peu de patience, dans 15 jours c’est fini et on pourra à nouveau penser à d’autres choses…

Après l’exposé des lois de Newton vient l’application à quelques cas suffisamment simple pour permettre une résolution complète du mouvement : chute verticale d’un solide (avec ou sans frottement), mouvements plans (mouvements paraboliques et satellites) et système oscillant.

Commençons par la chute verticale d’un solide.

Attention dans cet article (comme tous ceux de la mécanique), les vecteurs sont notés en gras :
ainsi g = g.u_z est équivalent à

Définir un champ de pesanteur uniforme.

Le champ de pesanteur est un champ vectoriel. C’est à dire qu’en tout point de l’espace, on peut y définir le vecteur pesanteur. Un champ uniforme est un champ qui a la même valeur en tout point de l’espace.

Un champ de pesanteur uniforme est donc un ensemble de vecteur dont la direction, le sens et la valeur sont les mêmes en tout point de l’espace.

Connaître les caractéristiques de la poussée d’Archimède.

La poussée d’Archimède est une force qui s’exerce sur tout corps immergé dans un fluide (liquide ou gaz). Elle est donc définies par une direction, un sens et une valeur. En l’occurence :

• Direction : verticale
• sens : vers le haut
• valeur : égale au poids du fluide déplacé

Ainsi pour un objet de volume V₀ complètement immergé, ce poids est égal à ρ_fV₀g où ρ_f est la masse volumique du fluide.

Chute verticale avec frottement

Appliquer la deuxième loi de Newton à un corps en chute verticale dans un fluide et établir l’équation différentielle du mouvement, la force de frottement étant donnée.

Ah, enfin, c’est là que les choses sérieuses peuvent commencer.

Imaginons donc un corps, lâché à l’instant t=0 de sorte à ce que son centre d’inertie soit au point O à cet instant. On se munira d’un repère Oxyz tel que z soit dirigé positif vers le bas. Bien entendu le référentiel est galiléen sinon on ne pourra pas appliquer la 2ème loi de Newton.

Ce corps est soumis au poids (P=mg),à la poussée d’Archimède (P_a=-ρ_fV₀g) et à une force de frottement (f qui est opposée au mouvement, soit proportionnelle à v, soit proportionnelle à v² selon l’énoncé).

La seconde loi de Newton s’écrit : Σ f_ext=m a_G soit P + P_a + f = m a_G

Comme toutes les forces sont verticales, on peut projeter sur l’axe vertical et écrire mg - ρ_fV₀g - f=m a_G

a_G l’accélération est égale à la dérivée de v (vitesse verticale) que l’on note généralement dv/dt et f est soit égale à k.v soit égale à k.v². On obtient donc :

mg - ρ_fV₀g - k.v = m dv/dt
ou
mg - ρ_fV₀g - k.v²=m dv/dt
selon l’expression de la force de frottement.

Et voilà pour l’équation différentielle du mouvement.

Connaître le principe de la méthode d’Euler pour la résolution approchée d’une équation différentielle.

Lors des révisions avec mes élèves, il semble que ce point n’est pas laissé un souvenir impérissable…
Supposons que nous ayons une équation différentielle de la forme a + b.v = v’(t).

L’approximation d’Euleur consiste à écrire que

v(t+Δt) = v(t) + v’(t). Δt

Ainsi, si l’on connait v(0), on peut écrire (en appliquant l’équation différentielle) que v’(0) = a + b.v(0).
On peut donc calculer la valeur de v à l’instant Δt en utilisant l’approximation d’Euler :

v(Δt) = v(0) + v’(0). Δt

Ce qui nous permet de calculer v’(Δt) = a + b.v(Δt) d’où l’on peut déduire v(2Δt) par Euleur d’où l’on déduit v’(2Δt) par l’équation différentielle, d’où l’on déduit .v(3Δt).. etc. c’est une méthode itérative; c’est à dire que par une succession de petit calcul on peut finir par connaître v à chaque pas Δt.

Chute verticale libre

Définir une chute libre, établir son équation différentielle et la résoudre.

Une chute libre est une chute dans laquelle le système considéré n’est soumis qu’à son poids.

Dans l’étude d’un tel mouvement, on prendra encore une fois un axe vertical dirigé vers le bas. Le poids s’exprime donc P = mg avec g = g.u_z

On considérera un mouvement vertical, c’est à dire que la vitesse initiale est verticale.

Ainsi, si on applique la seconde loi de Newton, on n’aura simplement P = ma qui se réduit à a = g ce qui est la plus simple expression de la 2de loi de Newton que l’on puisse avoir sur Terre.

On considère un mouvement vertical : le vecteur accélération est donc simplement a = dv/dt.u_z. Ainsi, l’équation différentielle du mouvement est

dv/dt = g
qui s’intègre en v(t) = g.t + A où A dépend des conditions initiales

Imaginons que v(0) soit non nul et égal à une valeur v₀. Si l’on prend l’expression v(t) = g.t + A à t=0, on trouve A=v₀ et

v(t) = g.t + v₀

D’autre part, v = dz/dt on en déduit donc

dz/dt = g.t + v₀
qui s’intègre en z(t) = ½ . g.t² + v₀.t + B
où B est une constante d’intégration

Déterminer B est un jeu d’enfant, il suffit de considérer les conditions initiales :

z(0) = z₀ et z(t) = ½ . g.t² + v₀.t + z₀

Voilà qui est fait pour la chute libre verticale !

Définir un mouvement rectiligne uniformément accéléré.

Trop facile. Un mouvement rectiligne uniformément accéléré est un mouvement dont la trajectoire est une droite et dont l’accélération est constante, indépendante du temps.

Ex de mouvement rectiligne uniforme : la chute libre ! Voir ci-dessus.

Savoir exploiter des reproductions d’écrans d’ordinateur (lors de l’utilisation d’un tableur grapheur) correspondant à des enregistrements expérimentaux.

Savoir exploiter des courbes v =f(t) pour : reconnaître le régime initial et/ou le régime asymptotique, évaluer le temps caractéristique correspondant au passage d’un régime à l’autre, déterminer la vitesse limite

Pour ces deux points, puisqu’un schéma vaut mieux qu’un discours :

Sur le schéma ci-dessus, la vitesse limite est de 10 m/s et il faut 5 seconde pour passer du régime initial (mouvement rectiligne uniformément accéléré) au régime asymptotique (mouvement rectiligne uniforme)

Dans le cas de la résolution par méthode itérative de l’équation différentielle, discuter de la pertinence des courbes obtenues par rapport aux résultats expérimentaux (choix du pas de résolution, modèle proposé pour la force de frottement)

Il s’agit simplement d’être capable de faire le lien entre un graphique expérimental et un modèle.

Le pas de résolution est le Δt dont il a été question dans la méthode d’Euler. Dans l’idéal il faudrait qu’il soit tout petit pour que l’approximation d’Euler fonctionne. Le graphique ci-dessous montre 1 courbe obtenue par la méthode d’Euler (rouge) et une acquisition expérimentale (bleue) :

La courbe rouge a été calculée avec un pas trop grand et la vitesse atteint trop vite sa valeur limite. En diminuant le pas d’itération, on peut obtenir la courbe bleue par Euler.

Pour ce qui est de l’influence des forces de frottements, le graphique ci-dessous montre une modélisation en supposant une force de frottement en v² (courbe en rouge) :

Clairement, ce modèle ne convient pas et on testera le modèle « force de frottement proportionnelle à v » pour voir s’il colle à la courbe expérimentale.

L’épreuve d’évaluation des capacités expérimentales se profile à l’horizon… Pour s’y préparer, il est bon de savoir ce qu’on attend de vous (revoir les conseils de préparation). Voici ce qu’en dit le programme (disponible également hors ligne : Compétences exigibles pour les capacités expérimentales) :

En Physique

Propagation d’une onde; ondes progressives

• Utiliser un dispositif expérimental pour mesurer un retard ou une distance lors de la propagation d’une onde. En particulier utiliser un oscilloscope pour mesurer le retard d’un clap sonore ou d’une salve d’ultrasons.
• Réaliser un montage permettant de mettre en évidence le phénomène de diffraction dans le cas d’ondes mécaniques, sonores ou ultrasonores.
• Réaliser un montage permettant de mettre en évidence le phénomène de diffraction dans le cas d’ondes lumineuses.
• Réaliser des mesures permettant de vérifier la pertinence de la relation θ = λ/a.

Transformations nucléaires

• Réaliser une série de comptages relatifs à une désintégration radioactive.
• À partir d’une série de mesures, utiliser un tableur ou une calculatrice pour calculer la moyenne, la variance et l’écart-type du nombre de désintégrations enregistrées pendant un intervalle de temps donné.

Évolution des systèmes électriques

dipôle RC :

• Réaliser un montage électrique à partir d’un schéma.
• Réaliser les branchements pour visualiser les tensions aux bornes du générateur, du condensateur et du conducteur ohmique.
• Montrer l’influence de l’amplitude de l’échelon de tension, de la résistance et de la capacité sur le phénomène observé lors de la charge et de la décharge du condensateur.

dipole RL :

• Réaliser un montage électrique à partir d’un schéma.
• Réaliser les branchements pour visualiser les tensions aux bornes du générateur, de la bobine et du conducteur ohmique supplémentaire.
• Montrer l’influence de l’amplitude de l’échelon de tension, de R et de L sur le phénomène observé.

circuit RLC série :

• Réaliser un montage électrique à partir d’un schéma.
• Réaliser les branchements pour visualiser es tensions aux bornes du condensateur et de la résistance supplémentaire éventuelle.
• Montrer l’influence de R, L et C sur le phénomène observé.
• Mesurer une pseudo-période et une période.
• Utiliser un oscilloscope :
  • le régler : mode balayage, finesse du trait, réglage du “zéro”, choix de la sensibilité verticale et choix d’une base de temps, sélection des voies;
  • repérer les tensions observables simultanément dans un circuit;
  • visualiser l’image d’une intensité;
  • visualiser simultanément deux tensions.
  • visualiser et déterminer les caractéristiques d’une tension;

Évolution temporelle des systèmes mécaniques

• Savoir enregistrer expérimentalement le mouvement de chute d’un solide dans l’air et/ou dans un autre fluide en vue de l’exploitation du document obtenu.
• Utiliser un tableur ou une calculatrice pour résoudre une équation différentielle par la méthode d’Euler.
• Savoir enregistrer expérimentalement la trajectoire d’un projectile et exploiter le document obtenu.
• Décrire un protocole expérimental permettant :
  • d’enregistrer le mouvement d’un système oscillant plus ou moins amorti
  • de vérifier la loi d’isochronisme des petites oscillations
  • de vérifier l’expression de la période propre dans le cas du pendule simple.

• Enregistrer un mouvement oscillant amorti.
• Savoir mesurer une amplitude, une pseudo- période.
• Savoir faire varier l’amortissement.
• Savoir montrer l’influence des paramètres masse et rigidité sur la période propre.

Physique - Spé

Produire des images, observer

• Réaliser un montage d’optique à partir des lentilles minces; application à la mesure d’un schéma.
• Régler un montage d’optique de façon à observer une image sur un écran.
• Utiliser un banc d’optique, réaliser des mesures et les exploiter.
• Déterminer la distance focale d’une lentille mince convergente et d’un miroir convergent.
• Réaliser et exploiter un montage permettant d’illustrer le fonctionnement des trois instruments d’optique :
  • choisir les lentilles adaptées,
  • régler le montage,
  • effectuer les mesures des grandeurs permettant de valider le modèle proposé.

Produire des sons, écouter

• Mesurer une période et déterminer ainsi une fréquence.
• Décrire et réaliser une expérience permettant de mesurer la fréquence de vibration d’une corde par stroboscopie et celle du son émis par la corde.
• Avec le matériel disponible au laboratoire, savoir mettre en évidence les modes propres de vibration d’une corde et d’une colonne d’air.; savoir réaliser et exploiter une expérience d’ondes stationnaires :
  • mesure de longueur d’onde,
  • mesure d’une célérité,
  • mesure des fréquences propres,
  • influence des paramètres.

• Acquisition et analyse d’une note produite par un instrument de musique.

Produire des signaux, communiquer

• Savoir observer, avec un oscilloscope, le signal d’un fil conducteur connecté à une des entrées.
• Savoir transmettre un signal de fréquence sonore par un faisceau lumineux
• Réaliser un montage de modulation d’amplitude à partir d’un schéma. Choisir des tensions permettant une modulation de bonne qualité; savoir visualiser les tensions pertinentes.
• Réaliser un montage de démodulation d’amplitude à partir d’un schéma. Choisir les composants permettant une démodulation de bonne qualité; savoir visualiser les tensions pertinentes.
• Réaliser un montage, à partir d’un schéma, associant les divers modules nécessaires à la réalisation d’un récepteur radio.

Chimie

La transformation d’un système chimique est-elle toujours rapide?

Le programme officiel ne préconise pas de compétences expérimentales particulières mais il évoque les activités suivantes :

• Suivi de l’évolution temporelle d’une transformation :
  • par prélèvements successifs et titrages, par exemple réaction de H₂O₂ et I^‒ , de dismutation de H₂O₂, réaction de S₂O₈^2- et I^- ,
  • par utilisation d’un manomètre, d’un conductimètre, ou d’un spectrophotomètre.
• Tracé des courbes d’évolution de quantité de matière ou de concentration d’une espèce et de l’avancement de la réaction au cours du temps.
• Utilisation d’un tableur-grapheur pour tracer la courbe x = f (t) par exemple et déterminer la vitesse à différentes dates.
• Détermination de t1/2 à partir de résultats expérimentaux.

La transformation d’un système chimique est-elle toujours totale?

• Être capable de mesurer la valeur du pH d’une solution aqueuse avec un pH-mètre.
• Réaliser par suivi pH-métrique le titrage d’un acide ou d’une base en solution aqueuse.
  • Déterminer, à partir des résultats d’une expérience, le volume versé à l’équivalence lors d’un titrage acide-base.
  • Montrer qu’un indicateur coloré convenablement choisi permet de repérer l’équivalence.

Le sens “spontané” d’évolution d’un système est-il prévisible?

Là encore le programme de cite pas explicitement de compétences expérimentales mais il préconise les activités suivantes :

• Réalisation et étude de piles par exemple :
  • Fe/Fe2+//Cu2+/Cu
  • Cu/Cu2+//Ag+/Ag
  • Zn/Zn2+// Cu2+/Cu (pile Daniell),
  • à l’aide d’un ampèremètre (mise en évidence du sens de circulation du courant),
  • à l’aide d’un voltmètre (mise en évidence d’une f.é.m.).
• Mise en évidence expérimentale de l’électrolyse

Comment le chimiste contrôle-t-il les transformations de la matière?

• Mettre en œuvre au laboratoire, en justifiant le choix du matériel à utiliser : chauffage à reflux, distillation fractionnée, cristallisation, filtration sous vide, chromatographie sur couche mince,
• Respecter les consignes de sécurité.

Chimie - Spécialité

Extraire et identifier les espèces chimiques

• Réaliser une chromatographie par une technique donnée (couche mince, papier ou colonne).
• Réaliser une extraction liquide-liquide.

Créer et reproduire des espèces chimiques

• Réaliser les opérations suivantes : chauffage à reflux, distillation, lavage d’une phase organique, séchage d’une phase organique liquide, extraction liquide-liquide, séchage d’un solide, cristallisation, recristallisation.

Effectuer des contrôles qualités

• Réaliser un titrage acide-base en présence d’un indicateur coloré ou à l’aide d’un pH-mètre.

Elaborer un « produit » de consommation courante

• Réaliser le montage électrique permettant d’effectuer une électrolyse .

  Bon courage…

Pour obtenir le phénomène de résonance, il faut un excitateur et un résonateur. Le résonateur est un système oscillant à qui l’excitateur fournit de l’énergie par un couplage approprié. Pour que le phénomène de résonance ait lieu, il faut que la fréquence de l’excitateur soit approximativement égale à celle du résonateur.

Hum, tout cela est un peu difficile à comprendre théoriquement. Voyons  ça en vidéo :

Bien sûr ce phénomène n’existe pas uniquement pour ces drôles d’objet de physiciens. Comme quasiment tout système matériel a une fréquence propre d’oscillation, il est possible de faire entrer en résonance toute sorte d’objet. Lorsqu”un objet est excité à sa fréquence de résonance, les oscillations peuvent prendre une telle amplitude que cela peut entraîner la destruction de l’objet.

Il y a bien sûr le classique verre de vin qui éclate s’il est soumis à sa fréquence de résonnance.

Bien plus dramatique (mais heureusement sans mort), la résonance du pont de Tacoma :

Et même les hélicoptères lorsqu’ils sont posés sur le sol ! Sur cette première séquence d’un épisode de Mac Gyver, on voit un hélicoptère qui entre en résonnance :

Fort heureusement, la pilote a immédiatement décolé. Que ce serait-il passer s’il était rester au sol ?

En réalité le phénomène de résonance est très courant. Dans le cas des tremblements de terre, c’est le phénomène de résonance qui induit l’effondrement des batiments : l’onde sismique agit comme un excitateur sur les batiments qui entrent en résonance.