´ erale ´ Physique gen B ` annee ´ pour etudiants ´ Cours de 1ere en pharmacie et biologie Catherine Leluc et Martin Pohl ` Universite´ de Geneve ´ e´ 2005 Hiver 2004/05, et Assistants: N. Brunner (coord.), C. Casella, N. Musolino, M. d’Onofrio, C. Zbinden http://pohl.home.cern.ch/pohl/pgb.html Les objectifs de la physique ` ´ Hypotheses sur l’Univers a` l’echelle microscopique: ` ´ ´ ementaires, ´ ´ – Matiere: nombre limite´ de categories de particules el identifiees ´ es ´ vis-a-vis ` par leur masse unique et leurs propriet des forces ´ ementaires: ´ ´ – Particules el sans structure interieure, correspondant a` un point dans l’espace-temps ´ en nombre, agissent entre les constituants de la matiere. ` – Forces: limitees ´ manifestations d’une seule force universelle. Cas ideal: ` evoluent ´ – Vide: Forces et matiere dans le vide, a` trois dimensions spatiales et une dimension temporelle. ` ´ – L’homme: fait partie de ce systeme dynamique, mais pretend pouvoir comˆ ´ ´ prendre son fonctionnement, grace a` la methode de l’experience scienti´ fique et de sa description mathematique. ` ´ Hypotheses evidemment contestables, programme propose de comprendre ´ es ´ microscopiques, et la methode ´ tout l’Univers par ses propriet scientifique. ` Universite´ de Geneve 1.1 M. Pohl ´ ´ ´ Differentes echelles, differents moyens ` peuvent etre ˆ ´ ´ ´ ´ Forces et matiere etudi ees a` differentes echelles, de distance aussi bien que de vitesse: ` des distances beaucoup plus grandes que – La physique classique considere la taille d’un atome, et des vitesses beaucoup plus petites que la vitesse de ` la lumiere. – A des distances plus petites qu’un atome, la physique quantique remplace ´ la physique classique. En effet, la physique classique est un cas special de la physique quantique pour grandes distances. ` – A une vitesse comparable a` celle de la lumiere, la physique classique doit ˆ ´ par les principes de la relativite. ´ Encore une fois, la phyetre completee ´ sique classique est un cas special de la physique relativiste a` basses vitesses. ´ – La physique des champs quantiques reunit relativite´ et approche quantique pour toutes les forces sauf la gravitation. ´ ´ ´ La physique aspire a` etablir une vue d’ensemble, ou` chaque etape d’echelle ´ ´ edente ´ ´ retient l’essentiel de l’echelle prec en elargissant le champ d’application. ` Universite´ de Geneve 1.2 M. Pohl Echelles de distance ´ ˆ A chaque echelle la physique reste la meme, mais la description change. Cette ´ on etudiera ´ annee principalement: ´ – La mecanique classique: le mouvement des corps, les forces et la gravitation ` solide, fluide et ga– La matiere ´ es ´ mecani´ zeuse, ses propriet ques et thermiques ´ ` ´ ´ – Les phenom enes electromagn e` tiques, rayonnement et lumiere – La physique a` grande vitesse, et ´ a` l’echelle quantique ` Universite´ de Geneve 1.3 M. Pohl Les forces fondamentales ´ – Force forte: force nucleaire, la plus forte interaction connue; noyaux. ´ ´ ´ – Force electromagn etique: force entre particules chargees; fondement de ` ´ ´ chimie et biologie; lumiere, electronique, materiaux. ´ ´ a` l’electromagn ´ ´ – Force faible: faible a` grande distance, etroitement liee etisme; ´ radioactivite. – Force gravitationelle: force entre corps massifs; interaction la plus faible. ˆ ` doit avoir certaines propriet ´ es: ´ par Pour etre soumise a` une force la matiere ` chargee ´ est sensible a` la force electromagn ´ ´ exemple, seule la matiere etique. Force Forte Agit sur Quarks et particules contenant des quarks ´ ´ Electromagnetique Particules chargees ´ electriquement Faible Toutes particules Gravitationelle Toutes particules ` Universite´ de Geneve 1.4 ´ Intensite´ Portee 104 ∼ 10−14 m 102 ∞ 10−2 10−34 ∼ 10−17 m ∞ M. Pohl ` Les constituants de la matiere ` Universite´ de Geneve 1.5 M. Pohl ` Les constituants de la matiere ´ ´ es: ´ Familles, avec differents propriet ´ ´ – Leptons: electron, determine pro´ es ´ de l’atome. Interactions priet ´ ´ faibles et electromagn etiques. – Neutrinos: produits dans des´ integrations radioactives. Uniquement interactions faibles. – Quarks: constituants des protons et neutrons, noyaux. Toutes interactions. ´ erations, ´ ´ Gen avec differentes masses: ´ erations ´ – Trois gen pour chaque famille. ´ es ´ tres ` similaires. – Propriet ´ erations ´ – Les gen se distinguent par leur masse. ` Universite´ de Geneve 1.6 M. Pohl ´ Symetries et invariances ´ Symetries et invariances: ` – Si un systeme ne change pas d’aspect sous l’application d’une manipula´ ´ tion, il est dit posseder une symetrie correspondante. ` – Si le comportement d’un systeme ne change pas sous l’application d’une manipulation, il est dit invariant au changement. ´ ´ ´ – Exemples: symetries geom etriques. cylindrique ` Universite´ de Geneve ’ spherique 1.7 mirroir M. Pohl ´ ´ conservees ´ Symetries et quantites Principe de Noether: ´ ` – A chaque symetrie continue d’un systeme correspond une ´ quantite´ conservee. A. Noether (1882-1935) ` Universite´ de Geneve 1.8 M. Pohl ´ Mesures et coordonnees ´ ´ La physique est une science experimentale. Une experience ´ typique mesure une ou plusieurs grandeurs characteristiques ` ´ ˆ d’un systeme. Une experience scientifique doit etre: ` – correcte, en isolant et mesurant le parametre en question; ´ – reproducible, sous conditions egales ou analogues; – relevante, en apportant informations nouvelles ou plus ´ precises. ´ Mesures de base: coordonnees en espace et en temps, et masses – mesure reclame valeur, erreur et unite´ ` – unite´ de longueur: metre – unite´ de temps: seconde – unite´ de masse: kilogramme ` ´ international, SI – bases du systeme d’unites ` Universite´ de Geneve 1.9 M. Pohl ` Systeme international ´ Une mesure de longueur determine la distance entre deux points dans l’es´ ´ ´ ene´ pace. Une mesure du temps determine la difference en temps de deux ev ` ´ metrique. ments. Nous utilisons le systeme Historique (voir http://www.bipm/fra/3_SI/metre_hist.html): ´ ` ´ – La creation du systeme remonte a` la revolution franc¸aise; ´ ot ˆ de deux etalons ´ ´ ` – 22 juin 1799: dep en platine representant le metre et le ´ kilogramme aux Archives de la Republique a` Paris; ´ 1830: Gauss œuvre activement pour l’adoption du systeme ` ´ – Annee metrique; ´ 1860: Thomson et Maxwell proposent un systeme ` – Annee adapte´ a` l’electro´ ` magnetisme, base´ sur le centimetre, le gramme, et la seconde (CGS), avec ´ ´ pour l’ajuster aux differents ´ prefixes du micro au mega ordres de grandeur; ` ` – 20 mai 1875: Convention du metre consacre metre, kilogramme et seconde. ´ 1880: Construction d’une trentaine de metre ` – Annee prototype. ` Universite´ de Geneve 1.10 M. Pohl ` ` Metre historique et metre moderne http://www.metas.ch ´ 1880: Trente metres ` – Annee prototypes et quarante kilogrammes prototypes, ` a` partir du metre et kilogramme des archives au BIPM ´ 1890: Michelson propose de baser le metre ` – Annee sur la longueur d’onde ´ ` de la raie rouge du Cadmium, interferom etres de Michelson, Benoˆıt, Fabry ´ et Perot ´ ` – 1960: Redefinition du metre comme 1’650’763.73 longueurs d’onde de la raye rouge-orange du Krypton 86 ´ ` ` – 1983: Redefinition du metre comme la distance parcourue par la lumiere dans 1/299’792’458 secondes ´ ´ – Cette definition ne changera jamais, une amelioration dans la mesure du ´ ´ ´ temps ameliorera la precision de cette definition. ` Universite´ de Geneve 1.11 M. Pohl Surfaces et volumes On mesure les surfaces en m2, les volumes en m3. Exemples: ` Universite´ de Geneve 1.12 M. Pohl D’une unite´ a` l’autre ` Universite´ de Geneve 1.13 M. Pohl D’une unite´ a` l’autre Recette: ´ ´ au numerateur, ´ Former une fraction egale a` 1, avec l’unite´ souhaitee et l’unite´ ´ a` remplacer dans le denominateur. Puis multiplier la quantite´ a` remplacer par cette fraction. Exemple 2: Combien de cm3 y a-t-il dans 5 m3? Exemple 1: ` Combien de centimetres contiennent 3 3 3 100 cm (100cm) ` 38 metres? = 1 = 3 1m 1m3 100cm cm 3 = 100 1= cm = 100000000 3 1.00m m m 100cm 3 = 3800cm 38.00m · cm 1.00m 5m3 = 5 · 100000000 3 = 500000000cm3 m ` Universite´ de Geneve 1.14 M. Pohl Masse et poids Attention: ´ e´ fondamentale d’un objet: independante ´ – La masse est une propriet de la ´ ˆ presence d’autres corps, la meme partout sur terre et dans l’Univers. L’ori´ e´ est a` ce jour inconnue. gine de cette propriet ´ sur un corps a` la surface de la Terre, a` cause – Le poids est la force exercee ´ de l’interaction gravitationnelle entre l’objet et la terre. Par consequent, le ` ´ poids varie avec la position vis-a-vis de la terre. Le poids depend de la ´ e´ fondamentale. masse, mais il n’est pas une propriet L’unite´ de la masse est le kilogramme, ´ ´ toujours defini par un etalon standard. ` Le gramme est un millieme du kilogramme. http://www.artemis.fr/metrologie.htm ` Universite´ de Geneve 1.15 M. Pohl Echelles de masse ´ ´ Les objets etudi es par la physiques peuvent avoir une masse entre la plus petite ja´ celle du neumais observee, trino, de l’ordre de 10−39 kg, jusqu’a` la masse de l’Univers, ´ a` 10+51 kg. estimee Une notation qui facilite le passage a` travers les ordres de grandeur s’impose. ` Universite´ de Geneve 1.16 M. Pohl Les puissances de 10 ` Universite´ de Geneve 1.17 M. Pohl Le temps ´ e´ par la L’espace est suger ` juxtaposition de la matiere, le temps par le changement de cette juxtaposition. Par ´ consequent, le temps est me´ ` sure´ par des phenom enes cycliques, comme le lever du soleil. ´ ` Bases sur des systemes ´ egyptiens et babyloniens, le ` systeme des jours (j) a` 24 heures (h) de midi a` midi, a` 60 minutes (mn), a` 60 secondes ` (s) est introduit au 14eme ` siecle. ` Universite´ de Geneve 1.18 M. Pohl Le temps ` lenLa rotation de la terre se ralentit tres tement et les jours solaires deviennent ´ plus longs. Depuis 1967, on definit la se´ de 9’192’631’770 conde comme la duree ´ avec vibrations de l’atome 133Cs, mesuree ´ l’horloge la plus precise que nous avons a` disposition. ´ Une Swatch typique a une precision d’une seconde par an. L’horloge a` faisceau ato´ mique est precis a` une seconde par 3’000’000a. Halliday, Resnick, Walker, Fig. 1.3 ` Universite´ de Geneve 1.19 M. Pohl ´ de base I Le SI au grand complet: unites ´ Definition ` Le metre est la longueur du trajet parcouru ` pendant une duree ´ dans le vide par la lumiere de 1/299 792 458 de seconde. ´ Masse kilogramme Le kilogramme est egal a` la masse du prototype international du kilogramme. ´ de 9 192 631 770 periodes ´ Temps seconde La seconde est la duree de la radiation correspondant a` la transition entre ´ les deux niveaux hyperfins de l’etat fondamental de ´ l’atome de cesium 133. ` ` est l’intensite´ d’un courant constant qui, Courant ampere L’ampere ´ ` electrique maintenu dans deux conducteurs paralleles, rectilignes, ´ de longueur infinie, de section circulaire negligeable ´ a` une distance de 1 metre ` et places l’un de l’autre dans le vide, produirait entre ces conducteurs une force ´ ` egale a` 2 × 10−7 newton par metre de longueur. Grandeur Longueur ` Universite´ de Geneve Unite´ ` metre 1.20 M. Pohl ´ de base II Le SI au grand complet: unites Grandeur ´ Temperature thermodyn. Quantite´ de ` matiere Intensite´ lumineuse ` Universite´ de Geneve Unite´ kelvin ´ Definition ´ Le kelvin, unite´ de temperature thermodynamique, ´ est la fraction 1/273,16 de la temperature thermodynamique du point triple de l’eau. ` d’un systeme ` mol La mole est la quantite´ de matiere ´ el ´ ementaires ´ contenant autant d’entites qu’il y a d’atomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12. ´ el ´ ementaires ´ Lorsqu’on emploie la mole, les entites ˆ ´ ees ´ et peuvent etre ˆ doivent etre specifi des atomes, ´ ´ des molecules, des ions, des electrons, d’autres ´ es ´ de telles particules ou des groupements specifi particules. candela La candela est l’intensite´ lumineuse, dans une direction ´ d’une source qui emet ´ donnee, un rayonnement ´ monochromatique de frequence 540 × 1012 hertz ´ ´ et dont l’intensite´ energ etique dans cette direction ´ est 1/683 watt par steradian. 1.21 M. Pohl Les erreurs de mesure ˆ Toute mesure est d’une orgine statistique. Ceci veut dire que meme si elle est ´ ee ´ sous conditions soi-disant identiques, les resultats ´ repet varient autour de la ´ par l’erreur de mesure. Cette erreur “vraie valeur”, dans une fourchette donnee ˆ ´ ´ ´ peut etre negligeable, mais ne vaut jamais zero. On ne peut pas interpreter le ´ resultat d’une mesure sans connaˆıtre cette erreur. ´ ˆ ´ Le resultat d’une mesure doit etre present e´ comme une valeur, son erreur et l’unite´ de la mesure. Notations: ´ resultat = (valeur ± erreur) unite´ ´ resultat = valeur (erreur) unite´ ´ ´ L’erreur de mesure n’est pas une faute, c’est un ingredient inevitable de chaque mesure scientifique! ` Universite´ de Geneve 1.22 M. Pohl Les chiffres significatifs ´ ´ Alternativement on peut arrondir le resultat numerique au nombre de chiffres ´ significatifs, c’est a` dire a` tous ceux qui ne sont pas incertains etant donne´ l’erreur. Exemples: (0.91 ± 0.01)cm → 0.9cm, 0.918(1)cm → 0.92cm. ´ Le resultat d’un calcul ne doit pas avoir plus de chiffres significatifs que la ´ ´ utilisees ´ dans le calcul. moins precise des quantites Exemples: 320 s − 30 s = 290 s 850 kg − 31.009 kg = 819 kg ´ doivent etre ˆ Dans un calcul avec des grandeurs physiques, les unites ho` mogenes. On ne peut additionner ou soustraire des grandeurs que quand elles ˆ ´ ´ ˆ ont la meme dimension. Le resultat numerique doit etre arrondi de sorte qu’il ´ ´ n’a pas plus de chiffres significatifs que l’ingredient le moins precis. ` Universite´ de Geneve 1.23 M. Pohl
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