Physique. Tout-en-un pour la Licence - Cours, applications et exercices corrigés

654 Pages·2010·23.43 MB·French

gautron prelim Page I Mardi, 15. juin 2010 3:27 15
PHYSIQUE
TOUT-EN-UN POUR LA LICENCE
Cours, applications
et exercices corrigés
Sous la direction de
Laurent Gautron
Maître de conférences à l'université Paris-Est Marne-la-Vallée
Christophe Balland Laurence Ferrand-Tanaka
Maitre de conférences à l'université Paris Sud PRAG à l'université Paris-Est Marne-la-Vallée
Alain Angelié Laurent Cirio
Ingénieur physicien au CEA Maître de conférences à l'université Paris-Est
Marne-la-Vallée
Cyrille Sylvestre Yves Berthaud
PRAG à l'université Paris-Est Marne-la-Vallée Professeur à l'université Pierre et Marie Curie (UPMC)
Jean-Luc Battaglia Arnault Monavon
Professeur à l'université Bordeaux 1 Maître de conférences à l'université
Pierre et Marie Curie (UPMC)
Jean-Yves Paris
Jean Denape
Maître de conférences à l'Ecole Nationale
Professeur à l'Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tarbes
d'Ingénieurs de Tarbes (ENIT)
(ENIT)
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Illustration de couverture :
© 2009 ESA-CNES-ARIANESPACE
Photo optique vidéo CSG
Décollage d’une fusée Ariane 5
© Dunod, Paris, 2010
ISBN 978-2-10-055558-1
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ABLE DES MATIÈRES
La Physique pour comprendre la nature........................................... 1
1 Laphysiqueetlesquestionssurlemonde.......................................... 2
2 Laphysiquescienceexpérimentale................................................. 4
3 Laphysiqueoulanature« modélisée »............................................ 7
4 Laphysiqueetlarelativité......................................................... 11
5 Versunephysiqueunifiée......................................................... 16
6 UnTout-en-undephysique........................................................ 20
MÉCANIQUE
CHAPITRE1 CINÉMATIQUEDUPOINT................................................ 25
•
1.1 Repéraged’unpointmatérieldansl’espaceetdansletemps........................ 25
1.2 LavitessedupointmatérielM..................................................... 32
1.3 L’accélérationdupointmatérielM................................................. 37
Exercices............................................................................... 40
CHAPITRE2 DYNAMIQUEDUPOINT................................................. 43
•
2.1 PrincipesdelaDynamiqueNewtonienne........................................... 43
2.2 Travaileténergie.................................................................. 51
Exercices............................................................................... 61
CHAPITRE3 MÉCANIQUETERRESTREET CÉLESTE..................................... 65
•
3.1 Changementderéférentiel........................................................ 66
3.2 Dynamiqueenréférentielnongaliléen............................................. 75
3.3 Théorèmedumomentcinétique................................................... 79
Exercices............................................................................... 86
CHAPITRE4 MÉCANIQUEDESSOLIDESINDÉFORMABLES.............................. 89
•
4.1 Cinématiquedusolideindéformable............................................... 89
4.2 Cinétique......................................................................... 94
4.3 Liaisons........................................................................... 99
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Tabledesmatières
4.4 Statiquedessolides............................................................... 100
4.5 Dynamique....................................................................... 102
Exercices............................................................................... 111
CHAPITRE5 FLUIDESPARFAITS...................................................... 115
•
5.1 Statique.......................................................................... 116
5.2 Cinématique...................................................................... 119
5.3 Dynamique....................................................................... 123
5.4 ThéorèmesdeBernoulli........................................................... 125
5.5 Résultantedesforces.............................................................. 128
Exercices............................................................................... 129
CHAPITRE6 FROTTEMENTVISQUEUX................................................ 133
•
6.1 Écoulementslaminaires ........................................................... 133
6.2 Écoulementenconduitrectiligne.................................................. 136
6.3 Écoulementsturbulents........................................................... 137
Exercices............................................................................... 140
THERMODYNAMIQUE
CHAPITRE7 SYSTÈMESTHERMODYNAMIQUES....................................... 145
•
7.1 Notionsdebase .................................................................. 146
7.2 Températured’uncorps........................................................... 147
7.3 Pressiondansunfluide............................................................ 149
7.4 Lesgazparfaits................................................................... 151
7.5 Énergieettransfertd’énergie...................................................... 154
7.6 Validitédesformules.............................................................. 159
Exercices............................................................................... 161
CHAPITRE8 LESDEUXPRINCIPESDE LA THERMODYNAMIQUE......................... 165
•
8.1 Lepremierprincipedelathermodynamique........................................ 165
8.2 Lesecondprincipedelathermodynamique........................................ 168
8.3 Applicationauxgazparfaits....................................................... 171
8.4 Lesgazréels...................................................................... 174
Exercices............................................................................... 180
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Tabledesmatières
CHAPITRE9 LESMACHINESTHERMIQUES............................................ 183
•
9.1 Généralitéssurlesmachinesthermiques........................................... 184
9.2 Lesmachinesthermiquesdithermes................................................ 187
9.3 Moteurthermiqueditherme....................................................... 190
9.4 Machinefrigorifiqueetpompeàchaleurditherme.................................. 195
9.5 Machinedithermefonctionnantaucontactdesourcesdetempératuresvariables.... 199
Exercices............................................................................... 201
CHAPITRE10 INITIATION AUX TRANSFERTS THERMIQUES.......................... 203
•
Introduction............................................................................ 203
10.1 Lephénomènedeconductiondelachaleur........................................ 203
10.2 Transfertdechaleurparconvection................................................ 210
10.3 Convectionnaturelle.............................................................. 213
10.4 Lerayonnementthermique........................................................ 214
Exercices............................................................................... 222
OPTIQUE
CHAPITRE11 NATUREET PROPAGATIONDE LA LUMIÈRE............................... 225
•
11.1 Introduction...................................................................... 225
11.2 Naturedelalumière.............................................................. 226
11.3 Applications...................................................................... 237
Exercices............................................................................... 243
CHAPITRE12 FORMATIONDESIMAGESEN OPTIQUE................................... 245
•
12.1 Introduction...................................................................... 245
élit 12.2 Approximationsdegauss.......................................................... 246
d
un 12.3 Relationsfondamentalesdessystèmescentrés–Casdesmiroirsetdioptres.......... 252
est
e 12.4 Lentillesminces................................................................... 258
é
oris 12.5 Notionsdephysiologiedel’œil.................................................... 266
ut
a
on Exercices............................................................................... 269
n
e
pi
o
oc CHAPITRE13 OSCILLATIONSET ONDES............................................... 271
hot •
p
a 13.1 Oscillations....................................................................... 271
L
–
d 13.2 Propriétésdesmouvementssinusoïdaux............................................ 272
o
n
u
D 13.3 Oscillateurharmonique............................................................ 273
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Tabledesmatières
13.4 Oscillateurharmoniqueamorti..................................................... 277
13.5 Oscillationsentretenues........................................................... 280
13.6 Ondes............................................................................ 283
Exercices............................................................................... 288
CHAPITRE14 INTERFÉRENCESET DIFFRACTIONDES ONDESLUMINEUSES................ 291
•
14.1 Introduction...................................................................... 291
14.2 Interférenceslumineusesàdeuxondes............................................. 292
14.3 Diffractiondesondeslumineuses.................................................. 298
Exercices............................................................................... 308
CHAPITRE15 SPECTROSCOPIEOPTIQUE............................................... 311
•
15.1 Introduction...................................................................... 311
15.2 Spectresdessourceslumineuses................................................... 312
15.3 Spectroscopeàprismeouàréseau ................................................ 315
15.4 Spectroscopeinterférentiel........................................................ 320
Exercices............................................................................... 320
ÉLECTROSTATIQUE ÉLECTROMAGNÉTISME
CHAPITRE16 ÉLECTROSTATIQUE..................................................... 325
•
16.1 Chargesélectriques............................................................... 325
16.2 Forcesetchampsélectrostatiquescrééspardeschargesponctuelles................. 329
16.3 Champsélectrostatiquescrééspardesdistributionscontinuesdecharges ........... 332
16.4 Circulationduchampélectrostatiqueetpotentielélectrostatique.................... 333
16.5 Calculsdepotentielsélectrostatiques.............................................. 335
16.6 Calculd’unchampélectrostatiqueàpartirdupotentiel............................. 337
16.7 Énergiepotentielleélectrostatique................................................. 337
16.8 Théorèmedegauss............................................................... 337
16.9 Calculd’unchampélectrostatiqueparapplicationduthéorèmedeGauss........... 339
16.10Discontinuitédelacomposantenormale du champélectriqueàlatraversée
d’une surfacechargée ............................................................ 340
16.11Analogieélectrostatique–Gravitation ............................................ 340
Exercices............................................................................... 343
CHAPITRE17 MAGNÉTOSTATIQUE.................................................... 345
•
17.1 forcedeLorentz.................................................................. 346
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Tabledesmatières
17.2 Champmagnétiquecrééparuncircuitfiliformeparcouruparuncourant............ 347
17.3 Propriétésduchampmagnétique.................................................. 349
17.4 ForcedeLaplacesurunconducteurparcouruparuncourant....................... 352
17.5 EffetHall......................................................................... 355
17.6 Comparaisondeschampsélectrostatiqueetmagnétique............................ 356
Exercices............................................................................... 358
CHAPITRE18 ÉLECTROMAGNÉTISME................................................. 363
•
18.1 Inductionélectromagnétique...................................................... 364
18.2 Auto-induction................................................................... 368
18.3 ÉquationsdeMaxwelletpropagationdu champ électromagnétique................. 370
Exercices............................................................................... 376
ÉLECTRICITÉ
CHAPITRE19 ÉLECTRICITÉ........................................................... 381
•
19.1 L’électricité :unebrèveintroduction............................................... 381
19.2 Grandeursélectriquesfondamentales.............................................. 382
19.3 modélisationdescircuitsélectriques ............................................... 386
Exercices............................................................................... 395
CHAPITRE20 CIRCUITSENRÉGIMECONTINU.......................................... 397
•
20.1 Étudedescircuitsenrégimecontinuétabli......................................... 398
20.2 Établissementdurégimecontinu.................................................. 405
Exercices............................................................................... 412
CHAPITRE21 CIRCUITSENRÉGIMESINUSOÏDAL....................................... 415
élit •
d
n 21.1 Étudedescircuitsenrégimesinusoïdalétabli....................................... 416
u
est 21.2 Puissancesenrégimesinusoïdal ................................................... 421
e
é
oris 21.3 Analyseharmonique.............................................................. 423
ut
a
n Exercices............................................................................... 429
o
n
e
pi
oco CHAPITRE22 DIODEÀJONCTION.................................................... 431
ot •
h
p 22.1 Définitiondelajonction........................................................... 431
a
L
– 22.2 Jonctionpnoudiodeàjonction................................................... 432
d
o
n
Du 22.3 Linéarisationdelacaractéristiquetension-courant—Modèlesdeladiode........... 434
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Tabledesmatières
22.4 PolarisationdeladiodePointdefonctionnementstatique .......................... 436
22.5 FonctionnementenrégimedynamiqueNotionderésistancedynamiquedeladiode . 437
22.6 Autrestypesdediodes............................................................ 439
Exercices............................................................................... 442
CHAPITRE23 LETRANSISTORBIPOLAIRE.............................................. 445
•
23.1 Introduction...................................................................... 445
23.2 Relationsélectriquesfondamentales............................................... 446
23.3 RéseaudecaractéristiquesdutransistorNPN—Régimestatique.................... 447
23.4 Polarisationdutransistor,Point de fonctionnementstatique,Droite de charge statique 449
23.5 Transistorenrégimedynamique................................................... 450
Exercice................................................................................ 456
CHAPITRE24 AMPLIFICATEUROPÉRATIONNEL......................................... 459
•
24.1 Introduction...................................................................... 459
24.2 Caractéristiquesd’unAOP......................................................... 460
24.3 Notionssurlarétroaction.......................................................... 463
24.4 Grandeurscaractéristiques........................................................ 465
Exercices............................................................................... 468
PHYSIQUE « MODERNE »
CHAPITRE25 PHYSIQUEATOMIQUE.................................................. 473
•
25.1 Introduction...................................................................... 473
25.2 Atome,électronetnoyau......................................................... 474
25.3 Ondeélectromagnétiqueetphoton................................................ 475
25.4 Étudeexperimentaledeséléments................................................. 478
25.5 Modèlesclassiquesdel’atome..................................................... 481
25.6 Modèlessemi-quantiquesdel’atome H............................................ 483
25.7 Ondesdematière................................................................. 486
25.8 MécaniquequantiquedeSchrödinger.............................................. 487
25.9 Atomed’hydrogènedeSchrödinger............................................... 492
25.10 Momentmagnétiqueorbital..................................................... 495
25.11 Spindel’électronetd’autresparticules........................................... 496
25.12 Atomed’hydrogèneavecspin.................................................... 498
25.13 Atomesàplusieursélectrons..................................................... 503
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Tabledesmatières
Exercices............................................................................... 509
CHAPITRE26 PHYSIQUENUCLÉAIRE.................................................. 511
•
26.1 Lesnuclidesetlesparticulesassociées.............................................. 512
26.2 Dynamiquerelativiste............................................................. 514
26.3 Masseeténergiedeliaisonnucléaires.............................................. 519
26.4 Modèlesdunuclide............................................................... 521
26.5 Désintégrationsetréactionsnucléaires............................................. 524
26.6 Aspectsprobabilistesetcinétiques................................................. 533
26.7 Physiquedesparticules............................................................ 536
Exercices............................................................................... 538
CHAPITRE27 LAMATIÈRE........................................................... 541
•
27.1 Étatsetstructuredelamatière .................................................... 541
27.2 Liaisonchimiqueetmolécules..................................................... 543
27.3 Potentielintermoléculaire ......................................................... 550
27.4 Solidescristallins.................................................................. 551
Exercices............................................................................... 556
Problème Général : physique dans l’espace........................................ 557
Solution du problème général..................................................... 573
Bibliographie...................................................................... 631
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“Gautron_9782100543007”(Col.:ScienceSup3-193x250)—2010/6/1—14:58—page27—#37 1 Mode d’emploi de
CINÉMATIQUEDUPOINT
SELBALAÉRP•••VDTerécirgtievouanrtosiomentéetcrtaielicnutélsgrvaetciotonriels – Les préalables, c’est-à-dire les révisions nécessaires avant
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Versionpréliminaire–June1,2010–14:58 Chapitre2•Dynamiquedupoint
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Des applications directes du cours. La méthode de résolu- ω 13.4.Oscillateurharmoniqueamorti
tion est associée. 2.2.Travaileténergie dpSaduuOnMainEssLneoxslUoneecnlTrot’prcIneωselOissaircmptNneaqa.pn(ucdAlOteeie’a,fin(vAdpeAauAp,plet/alidotdilncAiutdsta)r/Ae,Ctdoai/ltodpbe)=nstpt?eeve1nléxéi3rrpeA.ir2lfip0ee2eos–+nrsrtéAtitaPoArs(nl˙otaunF’0t)2irélis⊳ttetgtq0asvdrdu,uttae0e.2Arar.ieeOpttAeQpihso1ndrtauéen3essmert.eee3lpAdalnce(xhAto2Féi(eamn/itSsedgsn)outnte.alm+luî1te’tr,tat3vaihelloi.1o’altt042nuénrpd)smrq.lAeedduo/iédddenandve,ttAitliqe’déoleluaAqsonet/up2cddnapo=tut’ueiuleo.rnnlnbCeeepsd2oeeoocilùbnall’ittropieCrlslsénécesusiel,.eslaÀttel’uinrs-
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