Physique
Une approche moderne
Tout-en-un
Cours
Exercices corrigés
Outils mathématiques
José-Philippe Pérez, Christophe Lagoute, Olivier Pujol, Éric Desmeules
Avant-proposxxxi
Constantes, notations et symbolesxxxiii
I Constantes fondamentales
xxxiii
II Caractéristiques du système solaire
xxxiv
II.1 Caractéristiques du Soleilxxxiv
II.2 Caractéristiques de la Terrexxxiv
II.3 Caractéristiques des planètesxxxv
II.4 Caractéristiques de la Lunexxxv
III Notations
xxxvi
IV Alphabet grec
xxxviii
V Multiples et sous-multiples en notation scientifique
xxxviii
Les grands noms de la physique en CPGE 1re annéexxxix
Leçons1
1 Qu'est-ce que la physique ?1
I Unités et dimensions
2
I.1 Unités des grandeurs physiques2
I.2 Dimension des grandeurs physiques4
I.3 Équations aux dimensions6
I.4 Analyse dimensionnelle8
I.5 Incertitudes expérimentales9
II Constantes fondamentales de la physique
11
II.1 Constantes classiques11
II.2 Constante de Planck13
II.3 Traitement classique ou traitement quantique14
II.4 Cube de la physique15
II.5 Grandeurs de Planck16
II.6 Ordres de grandeurs16
III Les quatre interactions fondamentales
18
III.1 Comparaison des interactions fondamentales18
III.2 Synthèse des interactions fondamentales20
2 Cinématique du point27
I Cadre spatio-temporel de la cinématique
28
I.1 Événement en physique28
I.2 Mesure du temps28
I.3 Repère d'espace30
I.4 Systèmes de coordonnées31
I.5 Référentiel32
II Vitesse et accélération d'un mobile ponctuel
34
II.1 Vitesse par rapport à un référentiel R34
II.2 Accélération par rapport à un référentiel R36
II.3 Mouvements particuliers38
III Ouvertures
42
III.1 Base de Frenet42
III.2 Les deux grandes catégories de mouvement d'un mobile44
III.3 Exemples45
3 Dynamique du point matériel53
I Force
53
I.1 Forces fondamentales53
I.2 Forces de contact55
II Loi fondamentale de la dynamique
57
II.1 Énoncé historique de la loi fondamentale de la dynamique57
II.2 Quantité de mouvement d'un point matériel58
II.3 Énoncé actuel58
II.4 Analyse de la loi fondamentale de la dynamique58
III Première loi de newton ou principe de l'inertie
60
III.1 Énoncé historique et énoncé actuel60
III.2 Référentiel inertiel61
IV Exemples d'application
61
IV.1 Conditions initiales61
IV.2 Chute libre dans le champ de pesanteur62
IV.3 Chute avec frottement de Stokes64
IV.4 Chute avec frottement de Venturi67
IV.5 Oscillations d'un ressort69
IV.6 Pendule simple dans le champ de pesanteur69
V Ouvertures
70
V.1 Loi fondamentale de la dynamique d'Einstein70
V.2 Indéterminisme expérimental et chaos71
4 Énergétique d'un point matériel77
I Énergie cinétique d'un point matériel
77
II Puissance et travail d'une force
79
II.1 Puissance79
II.2 Travail81
III Théorème de l'énergie cinétique
83
III.1 Énoncé83
III.2 Bille glissant sur un guide circulaire83
IV Énergie potentielle
84
IV.1 Définition84
IV.2 Exemples d'énergie potentielle87
V Énergie mécanique d'un point matériel
89
V.1 Point matériel soumis uniquement à des forces conservatives89
V.2 Théorème de l'énergie mécanique90
V.3 Application à la discussion qualitative d'un mouvement92
V.4 Portrait de phase (PCSI, MPSI)96
VI Ouvertures
97
VI.1 Énergie de masse98
VI.2 Quantité de mouvement et énergie d'une particule libre98
VI.3 Théorème de l'énergie en mécanique einsteinienne99
VI.4 Transformation de masse en énergie cinétique99
5 Lois de l'électrocinétique107
I Régimes stationnaire et quasi stationnaire
108
I.1 Régime stationnaire108
I.2 Approximation des régimes quasi stationnaires108
II Tension et courant électriques
109
II.1 Tension électrique109
II.2 Courant électrique109
II.3 Intensité du courant électrique111
III Dipôles électrocinétiques
112
III.1 Définition112
III.2 Le dipôle considéré comme un système112
III.3 Puissance électrique reçue par un dipôle113
III.4 Caractéristiques d'un dipôle114
IV Dipôles linéaires et dipôles non linéaires
115
IV.1 Dipôles linéaires115
IV.2 Dipôles non linéaires118
IV.3 Sources de tension et sources de courant121
IV.4 Association en série et association en parallèle125
V Lois de Kirchhoff
126
V.1 Noeud, branche, maille et potentiel de référence d'un réseau126
V.2 Lois de Kirchhoff en régime stationnaire126
V.3 Lois de Kirchhoff en régime quasi stationnaire128
V.4 Aspect énergétique129
6 Circuits linéaires137
I Systèmes linéaires
137
I.1 Définition générale des systèmes linéaires137
I.2 Relations affines139
II Association de dipôles linéaires passifs
139
II.1 Groupement de deux résistors139
II.2 Groupement de deux bobines non résistives142
II.3 Groupement de deux condensateurs143
III Générateurs
144
III.1 Groupement en série144
III.2 Groupement en parallèle145
III.3 Représentations de Thévenin et de Norton d'un générateur146
IV Théorème de Millman
147
V Aspects énergétiques dans un circuit RLC
149
VI Ouvertures
150
VI.1 Théorème de superposition150
VI.2 Théorème de Thévenin152
VI.3 Théorème de Norton154
7 Oscillateur harmonique. Amortissement visqueux163
I Oscillateur harmonique
163
I.1 Oscillateur élastique horizontal163
I.2 Oscillateur élastique vertical166
I.3 Circuit LC166
I.4 Définition générale d'un oscillateur harmonique168
II Influence d'un amortissement visqueux
170
II.1 Oscillateur élastique170
II.2 Circuit RLC série175
II.3 Analogie électromécanique177
II.4 Portrait de phase d'un oscillateur électrique (PCSI, MPSI)178
III Applications
178
III.1 Mesure du champ de pesanteur terrestre179
III.2 Fréquence d'oscillation des molécules diatomiques179
III.3 Oscillateur électrique avec résistance négative179
III.4 Mesure du temps180
III.5 Microscopie à force atomique180
8 Régimes transitoires187
I Réponse à un échelon de tension
188
I.1 Échelon de tension188
I.2 Régime libre et régime forcé189
I.3 Régime transitoire et régime établi189
II Circuit électrique RC
190
II.1 Réponse à un échelon de tension190
II.2 Décharge libre d'un circuit RC192
II.3 Aspects énergétiques193
III Circuit électrique RL
194
III.1 Réponse à un échelon de tension194
III.2 Aspects énergétiques195
III.3 Ouverture d'un circuit RL196
IV Circuit RLC série
197
IV.1 Réponse à un échelon de tension198
IV.2 Analyse énergétique200
V Applications
200
V.1 Réalisation d'une tension triangulaire201
V.2 Détecteur de crêtes201
V.3 Lissage d'une tension redressée203
9 Bases de l'optique géométrique211
I Aspect ondulatoire de la lumière
212
I.1 Ondes lumineuses212
I.2 Spectre des ondes lumineuses214
I.3 Propagation de la lumière dans un milieu transparent215
II Approximation de l'optique géométrique
217
II.1 Diffraction217
II.2 Rayon lumineux218
II.3 Optique géométrique218
III Lois de Snell-Descartes
219
III.1 Lois de la réflexion219
III.2 Lois de la réfraction220
III.3 Retour inverse de la lumière224
IV Applications des lois de Snell-Descartes
224
IV.1 Réfraction par un prisme224
IV.2 Application à la mesure de l'indice d'un liquide226
IV.3 Dispersion et spectroscopie227
IV.4 Fibre optique à saut d'indice227
IV.5 Réflexion et réfraction dans l'atmosphère229
V Ouvertures
230
V.1 Rayon lumineux dans un milieu non homogène230
V.2 Loi fondamentale de l'optique géométrique232
V.3 Analogie entre l'optique et la mécanique233
V.4 Principe d'Huygens234
V.5 Formulation variationnelle ou principe de Fermat235
10 Formation des images géométriques243
I Image en optique géométrique
243
I.1 Image réelle d'un objet ponctuel243
I.2 Extension à l'image virtuelle d'un objet réel244
I.3 Extension à un objet virtuel246
I.4 Espace objet et espace image d'un instrument d'optique247
II Stigmatisme approché, approximation de gauss
247
II.1 Stigmatisme approché247
II.2 Réalisation d'un stigmatisme approché avec un dioptre plan248
II.3 Approximation de Gauss250
II.4 Aplanétisme254
III Systèmes centrés focaux ou afocaux
255
III.1 Système centré focal255
III.2 Système afocal256
III.3 Diamètre apparent d'un objet257
IV Aberrations
258
IV.1 Aberration chromatique258
IV.2 Aberrations géométriques259
V Ouvertures
260
V.1 Invariance du chemin optique260
V.2 Extension aux images et objets virtuels260
11 Lentilles minces269
I Lentilles
269
I.1 Différentes formes de lentilles269
I.2 Lentilles minces270
I.3 Foyer principal image et plan focal image d'une lentille mince271
I.4 Foyer principal objet et plan focal objet d'une lentille mince273
I.5 Vergence d'une lentille mince275
II Constructions géométriques
276
II.1 Construction d'une image276
II.2 Localisation et nature d'une image278
II.3 Construction du rayon émergent issu d'un incident quelconque278
III Relations de conjugaison et grandissements
279
III.1 Relations de Descartes279
III.2 Relations de Newton282
IV Aberrations
284
IV.1 Aberration chromatique des lentilles284
IV.2 Aberration géométrique des lentilles286
V Ouvertures
290
V.1 Matrice de transfert d'un système centré290
V.2 Exemples291
12 Miroirs sphériques301
I Propriétés générales
301
I.1 Propriétés et caractéristiques générales301
I.2 Rayon de courbure302
I.3 Représentation symbolique dans l'approximation de Gauss303
I.4 Convention d'orientation303
I.5 Foyer principal et plan focal images d'un miroir sphérique304
I.6 Foyer principal et plan focal objets d'un miroir sphérique306
I.7 Vergence d'un miroir sphérique307
I.8 Construction d'une image308
I.9 Construction de l'émergent issu d'un incident quelconque310
II Relations de conjugaison et grandissements
311
II.1 Relations de Descartes312
II.2 Relations de Newton314
II.3 Systèmes optiques équivalents à un miroir316
III Télescopes réflecteurs et cavités optiques
317
III.1 Télescopes réflecteurs317
III.2 Cavités optiques319
IV Ouvertures
320
IV.1 Instruments stigmatiques après une réflexion320
IV.2 Matrice de réflexion d'un miroir sphérique321
IV.3 Matrice aller et retour d'une cavité optique321
13 TP-cours : Sources et détecteurs331
I Sources de lumière
331
I.1 Mécanismes d'émission332
I.2 Sources thermiques332
I.3 Sources spectrales ou lampes à décharge334
I.4 Diodes électroluminescentes336
I.5 Lasers336
II L'oeil
338
II.1 Description sommaire338
II.2 Caractéristiques optiques339
II.3 Accommodation339
II.4 Limite de résolution angulaire de l'oeil339
II.5 Champ de l'oeil340
II.6 Défauts de l'oeil340
III Ouvertures
342
III.1 Caractéristiques des photodétecteurs342
III.2 Photodétecteurs à effet photoélectrique342
14 TP-cours (PCSI) : Instrumentation optique349
I Lentilles et miroirs
349
I.1 Nature des lentilles349
I.2 Nature des miroirs351
I.3 Focométrie351
II Projection d'images
355
II.1 Alignement vertical - centrage latéral355
II.2 Éclairage de l'objet355
II.3 Mise au point356
II.4 Réglage du « tirage » source-condenseur356
III Instrumentation usuelle
356
III.1 Loupe356
III.2 Oculaire358
III.3 Viseur359
III.4 Collimateur360
III.5 Lunette361
III.6 Goniomètre365
IV Ouvertures
369
IV.1 Description369
IV.2 Microscope simplifié370
IV.3 Grossissement370
IV.4 Disque oculaire371
IV.5 Latitude de mise au point371
IV.6 Limite de résolution372
15 Circuit RLC série en régime sinusoïdal. Résonance379
I Signaux sinusoïdaux en électricité
379
I.1 Rappel379
I.2 Différence de phase entre deux signaux synchrones380
I.3 Signal analytique associé à un signal sinusoïdal380
II Oscillations électriques forcées. Résonance
382
II.1 Excitation d'un circuit RLC par une tension sinusoïdale382
II.2 Régime transitoire et régime établi382
II.3 Charge du condensateur en régime établi383
II.4 Intensité du courant en régime établi384
II.5 Admittance maximale. Résonance384
III Excitation d'amplitude déterminée
386
III.1 Intensité du courant au voisinage de la résonance387
III.2 Tension aux bornes du condensateur388
III.3 Exemple mécanique d'oscillations forcées390
III.4 Élongation de l'oscillateur391
III.5 Vitesse de l'oscillateur391
III.6 Impédance, admittance et résonance en mécanique392
IV Applications
394
IV.1 Réception d'un signal radio394
IV.2 Diffusion d'un rayonnement électromagnétique394
IV.3 Capteur d'amplitude396
IV.4 Sensibilité à la résonance en mécanique398
16 Circuits en régime sinusoïdal405
I Impédance et admittance complexes
405
I.1 Impédance d'un dipôle passif linéaire405
I.2 Association d'impédances409
I.3 Générateurs en régime sinusoïdal établi410
II Lois de Kirchhoff en régime sinusoïdal
411
II.1 Écriture des lois de Kirchhoff en régime sinusoïdal411
II.2 Théorème de Millman413
II.3 Diviseurs de tension et de courant414
III Puissance en régime sinusoïdal
415
III.1 Puissance instantanée415
III.2 Puissance moyenne416
III.3 Puissance active ou puissance moyenne en régime sinusoïdal416
III.4 Distribution de puissance électrique418
III.5 Adaptation d'impédance pour la puissance419
III.6 Bilan énergétique dans un circuit RLC série (PCSI, PTSI)420
III.7 Bilan énergétique en régime sinusoïdal forcé421
17 TP-cours : Instrumentation électrique429
I°Signaux usuels
429
I.1 Signaux périodiques429
I.2 Signaux apériodiques431
II Sources électriques usuelles
431
II.1 Alimentations stabilisées431
II.2 Générateurs basse fréquence433
III Oscilloscope
436
III.1 Oscilloscopes analogiques et oscilloscopes numériques436
III.2 Branchement d'un oscilloscope437
III.3 Mode balayage temporel441
III.4 Numérisation et affichage d'un oscilloscope numérique443
III.5 Mode XY444
IV Multimètres
446
IV.1 Sélecteur de fonctions et calibres446
IV.2 Mise en oeuvre446
IV.3 Bande passante447
IV.4 Mesure de tensions efficaces447
IV.5 Mesure d'intensités efficaces448
V Ouvertures
449
V.1 Affichage d'un multimètre numérique449
V.2 Incertitude449
18 TP-cours (PCSI) : Amplificateur opérationnel455
I Description et fonctionnement (PCSI, PTSI)
455
I.1 Description455
I.2 Équation de fonctionnement d'un AO456
I.3 Réponse d'un AO en régime sinusoïdal457
I.4 Caractéristiques d'entrée et de sortie d'un AO457
I.5 Régime linéaire et régime saturé459
I.6 Amplificateur opérationnel idéal459
I.7 Stabilité et instabilité d'un AO460
II Montages d'AO en régime de saturation (PCSI, PTSI)
461
II.1 Comparateur simple462
II.2 Comparateur à hystérésis ou bistable462
III Montages d'AO en régime linéaire
465
III.1 Amplificateur suiveur de tension ou adaptateur d'impédance465
III.2 Amplificateur non inverseur466
III.3 Amplificateur inverseur468
III.4 Montage sommateur469
III.5 Montage soustracteur470
III.6 Montage équivalant à un résistor de résistance négative470
III.7 Montage intégrateur471
III.8 Montage pseudo-intégrateur473
III.9 Montage dérivateur473
IV Ouvertures
474
IV.1 Imperfections des AO de nature non linéaire474
IV.2 Imperfections de nature linéaire476
19 Fonction de transfert des filtres485
I Fonction de transfert d'un filtre
485
I.1 Diagrammes de Bode486
II Classification des filtres
489
II.1 Filtres passifs et filtres actifs489
II.2 Classification par leur fonction489
II.3 Classification selon leur ordre490
III Filtres passifs
490
III.1 Filtres passifs passe-bas d'ordre 1490
III.2 Filtres passifs passe-haut d'ordre 1491
III.3 Filtres passe-bande d'ordre 2 (PCSI, PTSI)492
IV Filtres actifs
495
IV.1 Comportement d'un AO en filtre actif de premier ordre495
IV.2 Cascade de filtres passifs de premier ordre496
IV.3 Filtre actif d'ordre deux498
20 TP-cours (PCSI) : Redressement et modulation507
I Caractéristique courant-tension d'une diode
507
I.1 Montage de base507
I.2 Caractéristique d'une diode réelle509
II Redressement
509
II.1 Redressement simple alternance509
II.2 Redressement simple alternance sans seuil510
II.3 Redressement double alternance512
III Modulation et démodulation d'amplitude
513
III.1 Modulation514
III.2 Démodulation d'amplitude515
21 Critère de stabilité (PCSI)521
I Stabilité et instabilité
521
I.1 Stabilité d'un système physique521
I.2 Exemples de systèmes électriques stable et instable523
II Systèmes linéaires du premier ordre
524
II.1 Équation caractéristique524
II.2 Analyse énergétique525
II.3 Critère de stabilité526
III Systèmes du deuxième ordre
526
III.1 Équation caractéristique526
III.2 Analyse énergétique527
III.3 Exemples528
III.4 Analyse dans l'espace des phases (PCSI, MPSI)530
III.5 Critère de stabilité532
22 Théorème du moment cinétique pour un point matériel539
I Moment cinétique d'un point matériel
540
I.1 Définition540
I.2 Transport du moment cinétique540
I.3 Moment cinétique par rapport à un axe541
I.4 Différentes expressions du moment cinétique541
I.5 Ordres de grandeur542
II Moment d'une force en un point
543
II.1 Définition543
II.2 Transport des moments543
II.3 Moment d'une force par rapport à un axe544
II.4 Différentes expressions du moment d'une force544
II.5 Ordres de grandeur545
III Théorème du moment cinétique
545
III.1 Démonstration et énoncé545
III.2 Conservation du moment cinétique546
IV Pendule circulaire
547
IV.1 Équation différentielle du mouvement547
IV.2 Analyse du mouvement548
V Ouvertures
550
V.1 Théorème du moment cinétique en un point mobile550
V.2 Pendule simple inversé551
V.3 Pendule paramétrique552
V.4 Moment cinétique intrinsèque d'une particule ou spin554
23 Mouvement dans un champ de forces centrales conservatives563
I Champ de forces centrales conservatives
563
I.1 Définition563
I.2 Exemples564
II Mouvements à force centrale conservative
566
II.1 Conservation du moment cinétique566
II.2 Conservation de l'énergie mécanique567
II.3 Discussion à l'aide de l'énergie potentielle effective568
III Analyse préalable du mouvement de Kepler
569
III.1 Lois expérimentales de Kepler570
III.2 Vitesse d'évasion ou de libération570
IV Trajectoire dans le problème de Kepler (PCSI, MPSI)
571
IV.1 Équation de la trajectoire571
IV.2 Nature de la trajectoire573
IV.3 Étude particulière de l'état lié573
V Étude directe des trajectoires circulaires
576
V.1 Mouvement circulaire d'un satellite de la Terre576
VI Ouvertures
578
VI.1 Modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène578
VI.2 Diffusion de Rutherford580
VI.3 Trou noir582
24 Changement de référentiels. Forces d'inertie589
I Différents mouvements d'un repère
589
I.1 Translation du repère R' par rapport au référentiel R590
I.2 Rotation du repère R' autour d'un axe du référentiel R591
I.3 Mouvement hélicoïdal593
I.4 Mouvement le plus général de R' par rapport à R593
I.5 Dérivation temporelle d'un vecteur relativement à un référentiel594
I.6 Degrés de liberté du mouvement de R'595
II Changement de référentiel en cinématique galiléenne
595
II.1 Hypothèses fondamentales595
II.2 Dérivées d'un vecteur596
III Composition des vitesses
598
III.1 Loi de composition des vitesses598
III.2 Exemples599
IV Composition des accélérations
603
IV.1 Accélération d'entraînement604
IV.2 Accélération de Coriolis605
V Relativité galiléenne
605
V.1 Invariances605
V.2 Transformation de Galilée606
VI Forces d'inertie
607
VI.1 Loi fondamentale par rapport à un référentiel non galiléen607
VI.2 Force d'inertie d'entraînement de translation608
VI.3 Force d'inertie centrifuge et force d'inertie de Coriolis610
VI.4 Théorème de l'énergie en référentiel non galiléen610
VI.5 Théorème du moment cinétique en référentiel non galiléen612
VII Ouvertures
614
VII.1 Principe de relativité de Poincaré-Einstein614
VII.2 Transformation de Lorentz-Poincaré614
VII.3 Composition einsteinienne des vitesses615
VII.4 Caractère axial du vecteur vitesse de rotation615
25 Système de deux points matériels (PCSI, MPSI)621
I Éléments cinétiques du système
621
I.1 Centre de masse621
I.2 Quantité de mouvement623
I.3 Moment cinétique623
I.4 Énergie cinétique624
II Référentiel du centre de masse
624
II.1 Définition624
II.2 Propriété du moment cinétique dans R*625
II.3 Théorèmes de Koenig (PCSI)625
III Théorèmes fondamentaux
626
III.1 Forces intérieures et forces extérieures626
III.2 Troisième loi de Newton627
III.3 Bilan des forces et des moments subis par S627
III.4 Théorème de la quantité de mouvement627
III.5 Théorème du moment cinétique628
III.6 Écriture des théorèmes en référentiel non galiléen629
III.7 Écriture des théorèmes généraux en termes de bilan630
IV Aspects énergétiques
631
IV.1 Théorème de l'énergie cinétique631
IV.2 Travail des forces intérieures632
IV.3 Théorème de l'énergie mécanique633
V Système isolé de deux points matériels
635
V.1 Mouvement global du système635
V.2 Éléments cinétiques635
V.3 Mouvement dans R*636
V.4 Applications638
VI Ouvertures
640
VI.1 Théorème du moment cinétique en un point mobile640
VI.2 Collisions de particules641
VI.3 Théorème du viriel643
26 Référentiels galiléens approchés655
I Différents référentiels galiléens approchés
655
I.1 Référentiel du laboratoire ou référentiel terrestre655
I.2 Référentiel géocentrique656
I.3 Référentiel héliocentrique ou référentiel de Kepler657
I.4 Référentiel de Copernic657
II Dynamique terrestre
657
II.1 Définition expérimentale du poids d'un corps658
II.2 Relation entre la pesanteur, la gravitation et l'inertie658
II.3 Expression de la loi fondamentale dans un référentiel terrestre659
II.4 Égalité de la masse grave et de la masse inerte659
II.5 Champ de pesanteur terrestre660
II.6 Pendule de Foucault661
III Marées (PCSI)
662
III.1 Marées océaniques662
III.2 Système de deux points dans un champ de gravitation extérieur665
III.3 Marées dans un vaisseau spatial667
IV Ouvertures
668
IV.1 Variation du champ de pesanteur avec le lieu668
IV.2 Marées de vives-eaux, de mortes-eaux et d'équinoxes668
IV.3 La force de Coriolis terrestre669
IV.4 Référentiels inertiels672
IV.5 Relativité générale674
27 Introduction à la thermodynamique683
I Description d'un système en thermodynamique
683
I.1 Système fermé, système ouvert683
I.2 Variables d'état684
I.3 Température685
I.4 Chaleur687
I.5 Système thermodynamiquement isolé688
I.6 Intérêt d'une description microscopique688
II Échange d'énergie par travail
688
II.1 Travail élémentaire reçu par un fil689
II.2 Travail élémentaire reçu par un fluide689
II.3 Travail élémentaire reçu par un dipôle électrique691
III État stationnaire et état d'équilibre
692
III.1 État stationnaire692
III.2 État d'équilibre thermodynamique693
III.3 Équation d'état693
III.4 Équilibre thermodynamique local695
III.5 Évolution réversible695
IV Grandeurs extensives et intensives
696
IV.1 Grandeur extensive696
IV.2 Exemples697
IV.3 Grandeur intensive697
IV.4 Bilan d'une grandeur extensive697
IV.5 Grandeur extensive conservative698
28 Gaz parfaits : approche microscopique703
I Mouvement brownien
703
II Hypothèses microscopiques et lois statistiques
704
II.1 Hypothèses microscopiques704
II.2 Hypothèses statistiques705
II.3 Distribution des vitesses de Maxwell706
III Pression et température cinétiques
707
III.1 Interprétation microscopique de la pression707
III.2 Température cinétique710
III.3 Équation d'état d'un gaz parfait711
III.4 Efficacité du modèle du gaz parfait713
IV Énergie interne d'un gaz parfait
713
IV.1 Énergie mécanique d'un gaz parfait monoatomique713
IV.2 Énergie interne d'un gaz parfait monoatomique714
IV.3 Énergie interne d'un gaz parfait polyatomique715
IV.4 Capacité thermique à volume constant715
V Ouvertures
718
V.1 Distribution de Maxwell718
V.2 Facteur de Boltzmann719
29 Fluides réels727
I Étude expérimentale des gaz réels
727
I.1 Diagrammes d'états des gaz réels728
I.2 Dispositif expérimental728
I.3 Isothermes d'Andrews729
I.4 Fluide731
I.5 Diagramme d'Amagat733
II Le modèle de Van der Waals
734
II.1 Énergie potentielle d'interaction734
II.2 Termes correctifs735
II.3 Équation de van der Waals737
II.4 Énergie interne d'un gaz de van der Waals738
III Phases condensées
738
III.1 Très faible compressibilité des liquides et des solides738
III.2 Phase condensée extrême739
IV Ouvertures
739
IV.1 Relations entre les coefficients a et b et le point critique739
IV.2 Température de Boyle-Mariotte d'un gaz de van der Waals740
IV.3 Loi des états correspondants741
30 Statique des fluides747
I Pression dans un fluide au repos
747
I.1 Forces de pression747
I.2 Représentation volumique des forces de pression748
I.3 Équilibre d'un fluide dans le référentiel du laboratoire748
II Fluides incompressibles et homogènes
749
II.1 Champ de pression749
II.2 Conséquences749
II.3 Applications751
II.4 Mesure des pressions753
II.5 Superposition de deux liquides non miscibles755
III Gaz parfait dans le champ de pesanteur
755
III.1 Loi caractéristique756
III.2 Variation de la masse volumique en fonction de l'altitude757
III.3 Variation de la concentration en fonction de l'altitude757
III.4 Atmosphère terrestre758
IV Actions exercées par les fluides au repos
760
IV.1 Forces de pression exercées par un liquide au repos sur une paroi760
IV.2 Poussée d'Archimède761
IV.3 Applications763
V Ouvertures
764
V.1 Équation vectorielle de la statique des fluides764
V.2 Équilibre d'un fluide dans un référentiel non galiléen764
31 Premier principe de la thermodynamique773
I Énoncé du premier principe. Énergie interne
774
I.1 Énoncé774
I.2 Expression différentielle774
I.3 Énergie interne775
II Transferts d'énergie
777
II.1 Échange d'énergie par travail777
II.2 Échange d'énergie par chaleur778
II.3 Bilan énergétique778
II.4 Principe de l'équivalence en thermodynamique780
II.5 Application aux systèmes mécaniques780
II.6 Calorimétrie à volume constant781
II.7 Capacité thermique à volume constant781
II.8 Détente de Gay-Lussac et Joule d'un gaz784
III Enthalpie. Détente de Joule et Thomson
785
III.1 Enthalpie785
III.2 Capacité thermique à pression constante787
III.3 Détente de Joule et Thomson (Kelvin)789
IV Mesures calorimétriques
792
IV.1 Calorimètres792
IV.2 Mesure des capacités thermiques794
V Ouvertures
795
V.1 Énergies de vibration795
V.2 Premier principe appliqué aux systèmes ouverts796
32 Deuxième principe de la thermodynamique807
I Évolutions irréversibles
807
I.1 Influence des frottements808
I.2 Influence de la non uniformité d'une grandeur intensive810
II Deuxième principe
811
II.1 Énoncé811
II.2 Bilans particuliers812
II.3 Importance pratique des évolutions réversibles813
III Énoncés historiques du deuxième principe
813
III.1 Énoncé de Clausius813
III.2 Énoncé de Thomson (Lord Kelvin)814
IV Relation fondamentale de la thermodynamique
815
IV.1 État stationnaire et état d'équilibre thermodynamique815
IV.2 Systèmes en équilibre thermique entre eux815
IV.3 Relation fondamentale816
IV.4 Autre expression de la relation fondamentale817
V Entropie d'un gaz
817
V.1 Entropie d'un gaz parfait817
V.2 Entropie d'un gaz de van der Waals819
V.3 Détente monotherme d'un gaz parfait819
V.4 Évolution adiabatique réversible d'un gaz parfait820
VI Création d'entropie dans une phase gazeuse
821
VI.1 Méthode de calcul de la création d'entropie821
VI.2 Bilan entropique de la détente isoénergétique d'un gaz réel822
VI.3 Bilan entropique de la détente isenthalpique d'un gaz réel822
VI.4 Mélange de deux gaz parfaits différents à la même température823
VII Entropie d'une phase condensée
824
VII.1 Réchauffement d'une masse d'eau824
VII.2 Contact de deux matériaux solides de températures différentes824
VII.3 Conducteur ohmique parcouru par un courant stationnaire825
VIII Ouvertures
826
VIII.1 Bilan entropique d'un système ouvert827
VIII.2 Système ouvert en régime stationnaire827
VIII.3 Exemples de bilans entropiques828
33 Entropie statistique. Troisième principe835
I État macroscopique et état microscopique (PCSI)
835
I.1 État macroscopique835
I.2 État microscopique836
I.3 États microscopiques correspondant à un état macroscopique837
I.4 Système de particules discernables à deux états838
II Entropie statistique (PCSI)
839
II.1 Définition839
II.2 Entropie statistique d'un système isolé840
II.3 Entropie d'un système de particules discernables à deux états840
II.4 Fluctuation d'entropie : mouvement brownien842
III Troisième principe
843
III.1 Postulat de Nernst-Planck843
III.2 Impossibilité d'atteindre 0 K843
III.3 Effondrement des capacités thermiques à 0 K844
IV Ouvertures
845
IV.1 Entropie statistique et entropie de Shannon845
IV.2 Entropie d'un gaz parfait monoatomique846
IV.3 Interprétation microscopique de la création d'entropie847
IV.4 Interprétation microscopique du travail et de la chaleur848
34 Corps pur diphasé855
I Approche expérimentale
855
I.1 Mise en évidence855
I.2 Interprétation microscopique qualitative856
I.3 Différents changements d'état857
I.4 Variance d'un corps pur858
I.5 Isothermes d'Andrews859
I.6 Point critique et point triple859
I.7 Pression de vapeur saturante861
I.8 Implosion d'une canette864
I.9 Caléfaction ou effet Leidenfrost864
II Diagrammes d'équilibre
865
II.1 Équilibre solide-liquide865
II.2 Équilibre solide-gaz866
II.3 Diagrammes d'équilibre du corps pur866
II.4 Représentation pression-volume-température867
III Aspects énergétique et entropique (PCSI)
868
III.1 Enthalpie de changement d'état868
III.2 Variation d'entropie de transition de phase872
III.3 Variation d'énergie interne873
IV Équilibre liquide-vapeur
873
IV.1 Titre en vapeur873
IV.2 Variation des fonctions d'état d'un mélange liquide-vapeur874
V Ouvertures
876
V.1 Surfusion et surchauffe876
V.2 Autres changements d'état878
35 Machines thermiques883
I Machine thermique ditherme
883
I.1 Bilans énergétique et entropique883
I.2 Diagrammes de Raveau884
I.3 Efficacité d'une machine thermique885
I.4 Rendement887
I.5 Cycle de Carnot887
I.6 Réfrigérateurs dithermes à absorption889
II Machines thermiques réelles
891
II.1 Caractéristiques générales891
II.2 Moteur monophasique de Stirling893
II.3 Moteur diphasique de Rankine896
II.4 Pompes à chaleur à air, à cycle de Joule898
II.5 Réfrigérateur à cycle de Hirn899
III Ouvertures
900
III.1 Moteur à explosion900
III.2 Moteur Diesel902
36 Champ et potentiel électrostatiques911
I L'interaction coulombienne
911
I.1 Nature de l'interaction électrostatique911
I.2 Comparaison avec l'interaction gravitationnelle913
I.3 Distributions de charge914
II Champ électrostatique
917
II.1 Concept de champ électrostatique917
II.2 Champ électrostatique produit par une seule charge918
II.3 Champ produit par un ensemble de charges ponctuelles919
II.4 Lignes de champ919
II.5 Champs produits par une distribution continue de charge920
III Potentiel électrostatique
921
III.1 Énergie potentielle électrostatique921
III.2 Potentiel créé par une distribution de charges ponctuelles922
III.3 Potentiel créé par une distribution continue de charge922
III.4 Relations entre le champ et le potentiel922
III.5 Exemples924
IV Énergie d'un système de deux charges
926
V Champ, potentiel et énergie de gravitation
927
V.1 Champ de gravitation928
V.2 Potentiel de gravitation928
V.3 Relation entre le champ et le potentiel de gravitation928
V.4 Énergie potentielle de gravitation de deux masses ponctuelles929
VI Ouvertures
929
VI.1 Énergie d'un système de N charges ponctuelles929
VI.2 Distribution continue de charge931
37 Symétries en électrostatique939
I Symétries des charges et conséquences
940
I.1 Distributions de charge ayant un plan de symétrie940
I.2 Exemples941
I.3 Distribution de charge ayant un plan d'antisymétrie943
I.4 Caractère polaire de E945
II Invariances des distributions de charge
945
II.1 Invariance par translation le long d'un axe945
II.2 Invariance par rotation autour d'un axe947
III Utilisation des symétries
949
III.1 Propriétés générales949
III.2 Exemple d'un segment uniformément chargé950
III.3 Exemple d'un disque uniformément chargé951
IV Ouvertures
955
IV.1 Invariance par translation spatiale955
IV.2 Invariance par rotation spatiale autour d'un axe955
IV.3 Invariance par translation dans le temps956
IV.4 Invariance par renversement du temps ou symétrie T956
IV.5 Invariance par conjugaison de charge ou symétrie C956
IV.6 Invariance par parité ou symétrie P956
38 Théorème de Gauss. Applications963
I Théorème de Gauss
963
I.1 Flux du champ électrostatique963
I.2 Énoncé964
I.3 Exemple : champ produit par une charge ponctuelle965
I.4 Propriétés du champ en l'absence de charge intérieure966
I.5 Topographie de divers champs, électrostatiques ou non967
II Détermination de champs électrostatiques
968
II.1 Surface sphérique uniformément chargée969
II.2 Fil rectiligne uniformément chargé971
II.3 Plan uniformément chargé973
III Condensateur (PCSI, PTSI)
974
III.1 Représentation d'un condensateur plan975
III.2 Champ et potentiel électrostatique976
III.3 Capacité d'un condensateur plan976
IV Analogie gravitationnelle
977
IV.1 Théorème de Gauss en gravitation977
IV.2 Champ gravitationnel créé par une boule de matière977
IV.3 Potentiel gravitationnel créé par une boule homogène978
IV.4 Force sur une boule concentriquement homogène979
V Ouvertures
980
V.1 Énergie gravitationnelle d'une boule de matière980
V.2 Énergie électrostatique d'une boule électriquement chargée981
39 Dipôles électrostatiques (PCSI, MPSI)987
I Moment dipolaire
988
I.1 Définition988
I.2 Moment dipolaire permanent des molécules989
II Potentiel et champ
990
II.1 Potentiel électrostatique créé par un dipôle990
II.2 Champ électrostatique créé par un dipôle990
III Dipôle dans un champ extérieur
993
III.1 Actions subies par un dipôle dans un champ extérieur993
III.2 Exemples995
IV Ouvertures
998
IV.1 Développement dipolaire d'une distribution de charge998
IV.2 Développement dipolaire d'une distribution de masse998
40 Particules chargées dans des champs électromagnétiques1005
I Champ magnétique
1005
I.1 Force de Lorentz et champ magnétique1006
I.2 Unité et ordre de grandeur du champ magnétique1006
I.3 Force magnétique1007
II Particule chargée dans un champ électrique
1008
II.1 Équations du mouvement1008
II.2 Vitesse initiale orientée suivant le champ électrique1009
II.3 Déviation électrique de la trajectoire d'une particule1009
III Particule dans un champ magnétique
1010
III.1 Nature du mouvement1010
III.2 Déviation magnétique de la trajectoire d'une particule1013
III.3 Focalisation radiale magnétique1014
III.4 Filtre de Wien1014
IV Ouvertures
1015
IV.1 Invariance de la force de Lorentz1015
IV.2 Mouvement d'une particule rapide1015
IV.3 Accélérateurs de particules1016
IV.4 Particules dans un champ magnétique non uniforme1017
41 Particules chargées dans un conducteur1027
I Mouvement d'une charge dans un conducteur
1027
I.1 Vitesse de déplacement des charges (PCSI)1027
I.2 Modèle de Drude (PCSI, PTSI)1030
II Loi d'Ohm (PCSI, PTSI)
1031
II.1 Courant volumique de charge1031
II.2 Loi d'Ohm locale1033
II.3 Loi d'Ohm intégrale pour un conducteur filiforme1035
II.4 Limites de validité de la loi d'Ohm1037
III Effet Hall (PCSI, PTSI)
1038
III.1 Analyse1038
III.2 Tension et résistance de Hall1040
III.3 Applications1040
IV Force de Laplace (PCSI)
1041
IV.1 Mise en évidence expérimentale1041
IV.2 Forces exercées sur un conducteur1042
IV.3 Force de Laplace sur un conducteur filiforme1043
IV.4 Application à la pompe électromagnétique d'Einstein et Szilárd1045
V Ouvertures
1045
V.1 Conducteurs, isolants et semiconducteurs1045
V.2 Supraconductivité1047
V.3 Quantification de la conductance1047
V.4 Effet Hall quantique1048
42 Loi de Biot et Savart. Symétries du champ magnétique1055
I Sources du champ magnétique
1055
I.1 Aimants et boussoles1055
I.2 Rappel de l'expérience d'Oersted1056
I.3 Charge en mouvement1056
I.4 Loi de Biot et Savart1057
I.5 Extension aux distributions volumiques et surfaciques de courant1057
I.6 Lignes de champ1058
II Symétries des courants et conséquences
1061
II.1 Caractère axial du champ magnétique1061
II.2 Champ magnétique d'une distribution à plan de symétrie1062
II.3 Champ magnétique d'une distribution à plan d'antisymétrie1064
III Influence des invariances des sources
1065
III.1 Invariance par translation1065
III.2 Invariance par rotation autour d'un axe1065
IV Calculs de champs magnétiques
1066
IV.1 Champ produit par un segment de courant1066
IV.2 Champ sur l'axe d'une spire circulaire de courant1068
IV.3 Champ sur l'axe d'un solénoïde circulaire1070
IV.4 Bobines d'Helmholtz1071
V Ouvertures
1073
V.1 Transformation galiléenne du champ électromagnétique1073
V.2 Transformation einsteinienne du champ électromagnétique1073
43 Propriétés du champ magnétique1079
I Conservation du flux du champ magnétique
1079
I.1 Flux de B nul à travers une surface fermée1079
I.2 Conservation du flux à travers différentes surfaces1080
I.3 Variation du champ le long d'un tube de champ1081
I.4 Champ magnétique au voisinage de l'axe d'une spire circulaire1081
II Théorème d'Ampère
1082
II.1 Exemple du fil rectiligne infini1082
II.2 Énoncé1083
II.3 Topographie de champs magnétostatiques ou non1084
III Calculs de champs par le théorème d'Ampère
1085
III.1 Solénoïde torique1086
III.2 Solénoïde droit1087
IV Ouvertures
1088
IV.1 Champ magnétique produit par un fil cylindrique1088
IV.2 Disque de Rowland1090
44 Dipôle magnétique (PCSI)1097
I Moment d'un dipôle magnétique
1097
I.1 Rappel du champ magnétique créé par une spire circulaire1097
I.2 Moment magnétique d'une spire1098
I.3 Analogie entre dipôle magnétique et dipôle électrique1098
II Champ produit par un dipôle magnétique
1099
II.1 Expression vectorielle du champ magnétique1099
II.2 Lignes de champ d'un dipôle magnétique1099
III Exemples de dipôles magnétiques
1101
III.1 Champ magnétique terrestre1101
III.2 Moment magnétique atomique dans le modèle de Bohr1104
IV Actions d'un champ magnétique extérieur
1105
IV.1 Énergie potentielle d'interaction de deux dipôles magnétiques1105
IV.2 Moment des actions exercées sur une boussole1105
IV.3 Force exercée par un champ magnétique non uniforme1107
V Bilan comparatif des champs E et B statiques
1107
VI Ouvertures
1108
VI.1 Magnétisme de la matière1108
VI.2 Précession magnétique de Larmor1109
Outils mathématiques1117
1 Opérations sur les vecteurs1119
I Base directe et base indirecte
1119
II Produit scalaire
1120
II.1 Expression analytique1120
II.2 Représentation géométrique1120
III Produit vectoriel
1120
III.1 Définition1120
III.2 Propriétés du produit vectoriel1121
III.3 Signification géométrique1121
III.4 Règles de calcul1122
IV Produit mixte
1122
V Technique de projection
1122
VI Double produit vectoriel
1123
2 Trigonométrie1125
I Formules de base
1125
I.1 Duplication1125
I.2 Transformation d'un produit en somme1125
I.3 Transformation d'une somme en produit1126
II Application aux diamètres apparents
1126
III Angle solide
1127
3 Coniques1129
I Définition
1129
II Équation polaire
1130
III Équation cartésienne
1130
III.1 Parabole1130
III.2 Ellipse et hyperbole1131
IV Propriétés fondamentales des coniques
1133
IV.1 Parabole1133
IV.2 Ellipse et hyperbole1133
4 Dérivées et développements limités1135
I Dérivée d'une fonction
1135
I.1 Définition1135
I.2 Interprétation géométrique1135
II Dérivées partielles
1136
III Dérivée d'une fonction composée
1137
III.1 Fonction d'une seule variable1137
III.2 Fonction de plusieurs variables1137
IV Dérivée logarithmique
1137
V Dérivée d'un vecteur
1137
V.1 Dérivée d'un vecteur par rapport à un paramètre1137
V.2 Dérivée du produit scalaire de deux vecteurs1138
V.3 Dérivée du produit vectoriel1138
VI Développements limités
1139
VI.1 Définition1139
VI.2 Développement de la fonction exponentielle1139
VI.3 Développement de la fonction cosinus1139
VI.4 Développement de la fonction sinus1139
VI.5 Développement de la fonction (1+x)alpha1139
5 Fonctions hyperboliques1141
I Définition
1141
II Propriétés
1141
III Développements limités
1142
III.1 Fonction cosinus hyperbolique1142
III.2 Fonction sinus hyperbolique1142
6 Nombres complexes1143
I Définition
1143
II Forme cartésienne
1143
III Représentation d'un nombre complexe
1144
IV Forme polaire d'un nombre complexe
1144
V Formules d'Euler
1144
VI Multiplication par le nombre complexe exp(jalpha)
1145
VII Application au tracé des diagrammes de Bode
1146
VII.1 Position du problème1146
VII.2 Lignes de commandes sur gnuplot1146
VII.3 Tracé de la phase1147
7 Matrice1149
I Définitions
1149
II Algèbre des matrices
1150
II.1 Matrices égales1150
II.2 Matrice nulle1150
II.3 Matrice unité1150
II.4 Matrice hermitienne1150
II.5 Somme de deux matrices q X n1151
II.6 Multiplication d'une matrice par un nombre réel1151
II.7 Multiplication de deux matrices1151
II.8 Propriétés du produit matriciel1151
III Déterminants de matrices carrées 2 X 2
1152
III.1 Définition1152
III.2 Déterminant du produit de deux matrices carrées1152
IV Inversion d'une matrice carrée régulière 2 x 2
1152
IV.1 Matrice inverse1152
IV.2 Matrice unitaire1153
IV.3 Détermination d'une matrice inverse1153
V Vecteurs propres et valeurs propres
1154
V.1 Définitions1154
V.2 Équation aux valeurs propres1154
V.3 Cas d'une matrice hermitienne1155
8 Équations différentielles1157
I Équations différentielles linéaires
1157
I.1 Équation différentielle du premier ordre1158
I.2 Équation différentielle linéaire du deuxième ordre1158
II Équations différentielles non linéaires
1160
9 Différentielles1161
I Différentielle d'une fonction
1161
I.1 Définition1161
I.2 Différentielle logarithmique1161
I.3 Tableau de fonctions et différentielles associées1162
I.4 Gradient d'une fonction1162
II Systèmes de coordonnées
1163
II.1 Coordonnées cartésiennes1163
II.2 Coordonnées cylindriques1164
II.3 Coordonnées sphériques1165
III Formes différentielles
1166
10 Probabilités1169
I Langage des probabilités
1169
I.1 Événements1169
I.2 Espace des événements1169
I.3 Événements disjoints ou incompatibles1170
I.4 Événement certain1170
II Probabilités
1170
II.1 Axiomes des probabilités de Kolmogorov1170
II.2 Conséquences1170
II.3 Probabilité conditionnelle1171
II.4 Événements indépendants1172
III Variables aléatoires
1172
III.1 Définition1172
III.2 Densité de probabilité1172
III.3 Valeur moyenne et moments d'une variable aléatoire1173
IV Lois de probabilité
1175
IV.1 Loi binomiale1175
IV.2 Loi de Poisson ou loi des événements rares1176
IV.3 Loi normale et loi de Gauss1177
V Intégrales gaussiennes
1178
V.1 Calcul de G0, G2 et G41178
V.2 Calcul de G1, G3 et G51179
Corrections des exercices des travaux dirigés1180
Bibliographie1459
Index1461