Physique tout-en-un MPSI-PCSI-PTSI 1e année : Cours et exercices corrigés

1538 Pages·2008·28.95 MB·French

by  Anne-Emmanuelle Badel

Sous la direction de
Marie-Noëlle Sanz
Anne-Emmanuelle Badel
François Clausset
PHYSIQUE
1
• re année
TOUT-EN-UN
MPSI - PCSI - PTSI
(cid:2)Un cours complet
(cid:2)De nombreux exercices
et problèmes
(cid:2)Toutes les solutions détaillées
3
e édition
PHYSIQUE
1
TOUT-EN-UN • re année
Cours et exercices corrigés
MPSI - PCSI - PTSI
Sous la direction de
Marie-Noëlle Sanz
Professeur en PC* au lycée Saint-Louis à Paris

Anne-Emmanuelle Badel François Clausset
Professeur en BCPST Professeur en MP
au lycée du Parc à Lyon au lycée Jean Perrin à Lyon
3e édition
Couverture : Bruno Loste
© Dunod, Paris, 2002, 2003, 2008
ISBN 978-2-10-053977-2
Table des matières
PREMIÈRE PÉRIODE
Électrocinétique 1 1
Chapitre1 Loisgénéralesdel’électrocinétiquedanslecadrede
l’approximationdesrégimesquasi-stationnaires 3
1 Mouvementdesporteursdecharges 3
2 Lecourantélectrique 7
3 Tensionetpotentiel 10
4 Loidesnœuds-loidesmailles 11
5 Notiondedipôles 15
6 Puissance–dipôlesrécepteursetgénérateurs 15
Chapitre2 Circuitslinéairesdansl’approximationdesrégimes
quasi-stationnaires 18
1 Dipôleslinéaires 18
2 RésistorderésistanceR 19
3 Bobined’inductanceL 23
4 CondensateurdecapacitéC 25
5 Sourcesdetensionetdecourant-ModèlesdeThévenin
etdeNorton 29
6 LoisdeKirchhoff 33
7 Diviseursdetensionetdecourant 37
8 Utilisationdel’équivalenceentrelesmodèlesdeThévenin
etdeNorton 40
A Applicationsdirectesducours 43
B Exercicesetproblèmes 46
Chapitre3 Circuitslinéairessoumisàunéchelondetension 53
1 Définitions 53
2 Circuitsdupremierordre 55
Table des matières
3 Circuitsdusecondordre 67
A Applicationsdirectesducours 76
B Exercicesetproblèmes 77
Mécanique 1 83
Chapitre4 Cinématiquedupointmatériel 85
1 Définitions 85
2 Systèmesdecoordonnéesplanes 87
3 Descriptioncinématiquedumouvementd’unpointmatériel 92
4 Expressionsdelavitesseetdel’accélération 94
5 Exemplesdemouvements 96
A Applicationsdirectesducours 100
B Exercicesetproblèmes 101
Chapitre5 Principesdeladynamiquenewtonienne 104
1 Élémentscinétiquesd’unpointmatériel 104
2 Notiondeforce 105
3 LestroisloisdeNewtondeladynamique 112
4 Résolutiond’unproblèmedemécanique-Exemples 116
A Applicationsdirectesducours 134
B Exercicesetproblèmes 135
Chapitre6 Aspectsénergétiquesdeladynamiquedupoint 143
1 Travailetpuissanced’uneforce 143
2 Théorèmedel’énergiecinétique 145
3 Énergiepotentielleetforcesconservatives 148
4 Énergiemécanique 151
5 Applicationàl’étudequalitativedesmouvementsetdeséquilibres 152
6 Approcheàl’aidedesportraitsdephase 155
7 Étudeénergétiqued’unemassesuspendueàunressort 162
A Applicationsdirectesducours 164
B Exercicesetproblèmes 165
Chapitre7 Oscillateursharmoniquesetamortisparfrottementfluide 171
1 Oscillateursharmoniques 171
2 Oscillateursamortis 176
IV
Table des matières
A Applicationsdirectesducours 187
B Exercicesetproblèmes 188
Optique 195
Chapitre8 Approximationdel’optiquegéométrique,rayonlumineux 197
1 Notionexpérimentalederayonlumineux 197
2 Aspectondulatoire 198
3 Loisfondamentalesdel’optiquegéométrique 200
Chapitre9 Réfraction,réflexion 203
1 Levocabulairedel’optiquegéométrique 203
2 LoisdeDescartes 206
3 Casdesmilieuxstratifiés.Mirages 211
A Applicationsdirectesducours 214
B Exercicesetproblèmes 215
Chapitre10 Stigmatismeetaplanétisme.Dioptresetmiroirs 221
1 Stigmatismeetaplanétismerigoureux 221
2 Stigmatismeetaplanétismeapprochés 223
3 Casdumiroirsphérique 227
A Applicationsdirectesducours 241
B Exercicesetproblèmes 242
Chapitre11 Lentillesmincessphériques 247
1 Présentation 247
2 Relationsdeconjugaison 250
3 Construction 253
4 Quelquesinstrumentsd’optique 260
5 Projectiond’imageetaberrations 264
A Applicationsdirectesducours 271
B Exercicesetproblèmes 273
Chapitre12 InstrumentsdeTravauxPratiques 278
1 L’œil 278
2 Sourcesdelumière 282
3 Loupesetoculaires 285
4 Lunettesetviseurs 287
V
Table des matières
5 Collimateur 293
6 Legoniomètre 293
A Applicationsdirectesducours 301
B Problèmes 301
Chapitre13 T.P.:Focométrie 304
1 Reconnaissancerapideducaractèred’unelentilleoud’unmiroir 304
2 Méthodedirecte 306
3 Autocollimation 308
4 MéthodedeSilberman 309
5 MéthodedeBessel 310
6 Méthodedespointsconjugués 311
Chapitre14 T.P.:Spectroscopieàprisme 313
1 Présentation 313
2 ApplicationdesloisdeDescartesauprisme 313
3 Spectromètreàprisme 318
DEUXIÈME PÉRIODE
Électrocinétique 2 321
Chapitre15 Circuitslinéairesenrégimesinusoïdalforcé 323
1 Caractéristiquesd’unsignalsinusoïdal 323
2 Intérêtdelanotationcomplexe 326
3 Notationcomplexe 328
4 LoisdeKirchhoffennotationcomplexe 334
5 Impédanceetadmittancecomplexes 336
6 Loidesnœudsexpriméeentermesdepotentiels 342
7 Régimesinusoïdalforcéetrégimetransitoire 344
8 Stabilitédescircuitsdupremieretdusecondordre(PCSI) 347
A Applicationsdirectesducours 350
B Exercicesetproblèmes 351
Chapitre16 CircuitR,L,Csérieenrégimesinusoïdalforcéetrésonances 354
1 CircuitR,L,C sériesoumisàuneexcitationsinusoïdale 354
2 Résonanceenintensité 357
3 Résonanceauxbornesdelacapacité 364
VI
Table des matières
4 Étudedel’impédance 369
A Applicationsdirectesducours 372
B Exercicesetproblèmes 372
Chapitre17 Puissance 378
1 Définitions 378
2 Puissanceenrégimesinusoïdalforcé 382
A Applicationsdirectesducours 391
B Exercicesetproblèmes 392
Chapitre18 Réponsefréquentielled’uncircuitlinéaire-Filtreslinéaires
dupremieretdusecondordre 395
1 Notiondequadripôle 395
2 Fonctiondetransfert 396
3 Gain 399
4 Étudeducomportementenfonctiondelafréquence.DiagrammedeBode 401
5 Filtresdupremierordre 404
6 Filtresdudeuxièmeordre(PCSI,PTSI) 417
7 Lienentrefonctiondetransfertetéquationdifférentielle.
Transformationsréciproques 436
A Applicationsdirectesducours 439
B Exercicesetproblèmes 442
Chapitre19 Étudeexpérimentaledequelquesfiltres 447
1 Décompositionharmoniqued’unsignal 447
2 Analyseharmoniqueetcircuitslinéaires 455
3 Notiondefiltrage 457
4 Résultatsdufiltrage 460
5 Étuded’unfiltresélectif 468
A Applicationsdirectesducours 472
B Exercicesetproblèmes 472
Chapitre20 T.P.Cours:Instrumentationélectrique 478
1 GénérateursbassesfréquencesouGBF(PCSI,PTSI) 478
2 Alimentationsstabilisées(PCSI,PTSI) 481
3 Oscilloscopes 482
4 MasseetTerre 490
VII
Table des matières
5 Multimètres 493
6 Modèlesréelsdesdipôleslinéairespassifs 495
7 Mesurededéphasages 500
8 Mesuresd’impédancespardiviseurdetension 502
A Applicationsdirectesducours 505
B Exercicesetproblèmes 505
Chapitre21 T.P.Cours:Amplificateuropérationnel 508
1 Modèledel’amplificateuridéal 508
2 Deuxmontagessimples 512
3 Quelquesécartsaumodèleidéaldel’amplificateuropérationnel 514
4 Montagesuiveur 523
5 Montageamplificateurnoninverseur 528
6 Montagesintégrateuretpseudo-intégrateur 532
7 Complément:autresexemplesdemontagessimples 536
8 Comparateursàamplificateuropérationnel 539
9 Complément:multivibrateurastable 544
A Applicationsdirectesducours 549
B Exercicesetproblèmes 552
Chapitre22 Étudeexpérimentaledequelquescircuitsàdiode(PCSI) 563
1 Ladiode:undipôlenonlinéaire 563
2 Redressementetfiltrage 569
3 Enrichissementduspectreparundipôlenonlinéaire 577
4 Multiplieursanalogiques 578
A Applicationsdirectesducours 581
B Exercicesetproblèmes 583
Mécanique 2 593
Chapitre23 Complémentsdecinématiquedupointmatériel 595
1 Systèmesdecoordonnéesdansl’espace 595
2 Dérivéed’unvecteurunitairetournantparrapportà
l’anglederotation 604
3 Expressionsdelavitesseetdel’accélération 605
4 Complémentssurlemouvementcirculaire 607
A Applicationsdirectesducours 609
VIII
Table des matières
B Exercicesetproblèmes 609
Chapitre24 Oscillationsmécaniquesforcées 610
1 Positionduproblèmeetéquationdumouvement 610
2 Étudedelasolution 611
3 Étudedel’amplitudeenfonctiondelafréquence-Résonanceen
amplitude 614
4 Résonanceenvitesse 617
5 Impédancemécanique 619
6 Aspectsénergétiques-Résonanceenpuissance 620
7 Portraitdephased’unoscillateurforcé 622
A Applicationsdirectesducours 624
B Exercicesetproblèmes 625
Chapitre25 Théorèmedumomentcinétique 631
1 Définitiondumomentcinétiqued’unpointmatériel 631
2 Momentd’uneforce 633
3 Théorèmedumomentcinétiqueenréférentielgaliléen 634
4 Exempled’utilisationduthéorèmedumomentcinétique:
lependulesimple 637
A Applicationsdirectesducours 640
B Exercicesetproblème 641
Chapitre26 Changementderéférentiel:aspectscinématiques 644
1 Positionduproblème 644
2 Compositiondesvitesses 647
3 Compositiondesaccélérations 650
A Applicationsdirectesducours 654
B Exercicesetproblèmes 655
Chapitre27 Changementderéférentiel:aspectsdynamiques 659
1 Relativitégaliléenne 659
2 Expressionduprincipefondamentaldeladynamique
enréférentielnongaliléen 663
3 Théorèmedumomentcinétiqueenréférentielnongaliléen 665
4 Théorèmedel’énergiecinétiqueenréférentielnongaliléen 666
5 Exemplederésolutiond’unproblèmedansunréférentiel
nongaliléen 667
IX