Physique IGCSE

Length and volume

Utiliser une règle 直尺 pour mesurer la longueur. Lire l'échelle avec l'œil bien droit devant la marque pour éviter une erreur de lecture.

Utiliser un cylindre gradué 量筒 pour mesurer le volume d'un liquide. Lire l'échelle au bas de la surface courbe (le ménisque 弯月面), avec l'œil à son niveau.

Measuring time

Utilisez un chronomètre 秒表 ou une minuterie numérique 数字计时er pour mesurer un intervalle de temps. Une horloge convient pour les longues durées (minutes ou heures). Un chronomètre est démarré et arrêté à la main, donc chaque lecture comporte une erreur de temps de réaction 反应时间 d'environ 0.2 s. Pour réduire l'impact de cette erreur, mesurez un intervalle long, ou mesurez plusieurs répétitions et divisez (voir ci-dessous).

Measuring small amounts

Une petite longueur ou un court intervalle de temps est difficile à mesurer précisément. L'astuce consiste à mesurer plusieurs fois puis diviser :

• Pour trouver l'épaisseur d'une seule page, mesurez 100 pages et divisez par 100.
• Pour trouver le temps pour un balancement d'un pendule 摆, mesurer le temps pour 20 balancements et diviser par 20. Un balancement complet s'appelle la période 周期.

Cela rend l'incertitude 不确定度 (la taille de l'erreur) beaucoup plus petite.

Scalars and vectors

Une grandeur scalaire n'a que de la taille (magnitude). Une grandeur vectorielle a une taille et une direction.

• Scalars: distance, speed, time, mass 质量, energy 能量, temperature 温度.
• Vecteurs : force, poids, vitesse, accélération, quantité de mouvement, intensité du champ électrique, intensité du champ gravitationnel.

Pour additionner deux vecteurs perpendiculaires (90°), dessinez-les comme deux côtés d'un rectangle. La résultante est la diagonale. Trouvez sa taille avec Pythagore et sa direction avec la trigonométrie.

Vitesse et vitesse vectorielle

Vitesse 速率 is the distance traveled per unit time.

Vitesse vectorielle est la vitesse dans une direction donnée. Ainsi, la vitesse vectorielle est un vecteur tandis que la vitesse scalaire est un scalaire.

Accélération

Accélération est le changement de vitesse par unité de temps.

Ici $\Delta v$ signifie « le changement de vitesse ». Une décélération 减速 (ralentissement) est une accélération négative.

Exemple résolu. Une voiture accélère de $8\ \text{m/s}$ à $20\ \text{m/s}$ en $4.0\ \text{s}$. Trouvez son accélération.

Graphes de mouvement

Un graphe distance-temps 距离-时间图 montre la distance parcourue par un objet :

• Une ligne plate (horizontale) signifie que l'objet est au repos 静止.
• Une pente droite signifie une vitesse constante. La pente 斜率 (raideur) correspond à la vitesse.
• Une courbe qui devient plus raide signifie que l'objet accélère.

Un graphe vitesse-temps 速度-时间图 montre la rapidité de déplacement d'un objet :

• Une ligne plate signifie une vitesse constante.
• Une pente droite signifie une accélération constante. La pente correspond à l'accélération.
• L'aire sous la ligne 线下面积 correspond à la distance parcourue.

Chute libre

Près de la Terre, le champ gravitationnel est uniforme 均匀 (même intensité partout), donc tous les objets accélèrent lors de leur chute au même rythme. C'est l'accélération de la chute libre 自由落体加速度, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.

Lorsqu'un objet tombe dans l'air, la résistance de l'air 空气阻力 (force de traînée) agit vers le haut. En accélérant, la résistance de l'air augmente. Lorsque la résistance de l'air égale le poids, la force résultante est nulle et l'objet cesse d'accélérer. Il tombe alors à une vitesse terminale 收尾速度 constante.

Masse est la quantité de matière 物质 dans un objet. Elle est mesurée en kilogrammes (kg) et ne change pas lorsque vous déplacez l'objet.

Poids est la force de gravité sur une masse. Il est mesuré en newtons (N). Le poids peut changer : il est plus petit sur la Lune car la gravité lunaire est plus faible.

Intensité du champ gravitationnel est la force par unité de masse :

Cette $g$ a la même valeur que l'accélération de la chute libre ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). Vous pouvez comparer des masses avec une balance 天平.

Densité est la masse par unité de volume.

Le symbole $\rho$ est la lettre grecque « rho ». L'unité est $\text{kg/m}^3$ ou $\text{g/cm}^3$.

Pour trouver la densité : mesurez la masse avec une balance, trouvez le volume, puis divisez.

• Solide régulier 规则 solide (comme une boîte) : mesurez les côtés et calculez le volume.
• Solide irrégulier 不规则 solide (forme étrange) : immergez-le dans l'eau dans un éprouvette graduée. La montée du niveau d'eau est son volume. C'est la méthode de déplacement 排水法.
• Liquide : placez une éprouvette vide sur la balance et lisez sa masse. Versez le liquide, lisez le volume sur l'éprouvette, et lisez la masse à nouveau. La masse du liquide est la différence entre les deux lectures de masse.

Un objet flotte 漂浮 si sa densité est inférieure à celle du liquide. Il coule si sa densité est supérieure. De même, un liquide flotte sur un autre (si les deux ne se mélangent pas) lorsque sa densité est plus faible : l'huile flotte sur l'eau.

Exemple résolu. Une pierre de masse $54\ \text{g}$ est immergée dans une éprouvette graduée. Le niveau d'eau monte de $20\ \text{cm}^3$ à $40\ \text{cm}^3$. Trouvez la densité de la pierre.

Le volume de la pierre est la montée du niveau d'eau, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, donc

Une force est une poussée ou une traction. Une force peut modifier la forme 形状, la vitesse ou la direction d'un objet.

Allongement (Loi de Hooke)

Lorsque vous suspendez une charge à un ressort, il s'allonge. Cet allongement est appelé allongement 伸长量.

Sur un graphe charge-allongement 载荷-伸长图, la ligne est droite au début : l'allongement est proportionnel à la charge. Le point où la ligne cesse d'être droite est la limite de proportionnalité 比例极限.

L'expérience. Suspendez le ressort à un support et placez une règle à côté. Lisez la position du bas du ressort sans charge : c'est la longueur initiale. Ajoutez des charges une par une (par exemple 1 N chacune) et enregistrez la nouvelle longueur à chaque fois. L'allongement est la nouvelle moins la longueur initiale. Tracez la charge sur l'axe des y contre l'allongement sur l'axe des x.

La constante de raideur 弹簧常数 est la force par unité d'allongement :

Une grande $k$ signifie un ressort rigide.

Force résultante et lois de Newton

Additionnez les forces sur une ligne droite pour obtenir la force résultante 合力 (les forces dans un sens sont positives, dans l'autre sens négatives).

• Si la force résultante est nulle, l'objet reste au repos ou continue de se déplacer en ligne droite à vitesse constante. (Première loi de Newton.)
• Si la force résultante n'est pas nulle, l'objet accélère dans la direction de la force :

Exemple résolu. Une voiture de $1200\ \text{kg}$ a une force motrice de $3000\ \text{N}$ et une friction de $600\ \text{N}$. Trouvez son accélération.

Trouvez d'abord la force résultante : $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Ensuite

Mouvement circulaire

Une force résultante perpendiculaire au mouvement ne change pas la vitesse. Elle change la direction, donc l'objet se déplace en cercle à vitesse constante. C'est le mouvement circulaire 圆周运动. La force pointe toujours vers le centre du cercle : la tension d'une corde sur une balle en rotation, ou la gravité du Soleil sur une planète.

Pour un objet en mouvement circulaire :

• une force plus grande est nécessaire pour maintenir la même masse se déplaçant à une vitesse plus élevée dans un cercle de même rayon 半径;
• une force plus grande fait se déplacer la même masse à la même vitesse dans un cercle plus petit (un rayon plus petit);
• une masse plus grande nécessite une force plus grande pour maintenir la même vitesse et le même rayon.

Frottement

Frottement 摩擦力 est la force entre deux surfaces en contact. Elle tente d'arrêter le mouvement et provoque un échauffement. La traînée (frottement dans un liquide ou un gaz, comme la résistance de l'air) ralentit aussi les objets.

Moments — effet de rotation

Le moment 力矩 d'une force est son effet de rotation autour d'un point d'appui 支点.

L'unité est le newton mètre (N m).

Principe des moments 力矩原理 : lorsqu'un objet est en équilibre (équilibre 平衡),

Un objet est en équilibre lorsqu'il n'y a ni force résultante ni moment résultant.

Exemple résolu. Un poids de $30\ \text{N}$ est placé à $0.20\ \text{m}$ à gauche d'un pivot. À quelle distance à droite doit être placé un poids de $20\ \text{N}$ pour équilibrer la poutre ?

Équilibré, donc moment antihoraire $=$ moment horaire:

Vérification du principe par expérience. Équilibrez une règle de un mètre à son centre sur un pivot. Suspendez un poids connu de chaque côté et déplacez-les jusqu'à ce que la règle soit de nouveau équilibrée. Mesurez chaque distance depuis le pivot. Force × distance à gauche égale force × distance à droite, dans les petites erreurs de mesure, donc il n'y a pas de moment résultant sur un objet équilibré.

Centre de gravité

Le centre de gravité 重心 est le point unique où toute la weight of an object seems to act.

Pour une forme plane (lamelle 薄片), suspendez-la à une épingle et laissez-la se stabiliser ; tracez une ligne verticale vers le bas depuis l'épingle en utilisant une fil à plomb. Répétez depuis un autre point. Le centre de gravité est l'intersection des lignes.

La stabilité 稳定性 d'un objet dépend de l'emplacement de son centre de gravité. Un objet est plus stable 稳定 lorsque son centre de gravité est bas et sa base large. Il bascule lorsque la ligne verticale descendante depuis le centre de gravité passe hors de la base.

Quantité de mouvement est la masse multipliée par la vitesse. C'est un vecteur.

Impulsion 冲量 est la force multipliée par le temps pendant lequel elle agit, et elle est égale au changement de quantité de mouvement :

Ainsi, la force résultante est le changement de quantité de mouvement par unité de temps :

Conservation de la quantité de mouvement 动量守恒 : lorsque des objets entrent en collision et qu'aucune force extérieure n'agit, la quantité de mouvement totale avant est égale à la quantité de mouvement totale après.

(Ici $u$ est une vitesse avant et $v$ est une vitesse après.)

Exemple résolu. Un chariot de $2.0\ \text{kg}$ se déplaçant à $3.0\ \text{m/s}$ heurte un chariot stationnaire de $1.0\ \text{kg}$ et ils collent ensemble. Trouvez leur vitesse commune ensuite.

La quantité de mouvement totale est conservée, donc

Stocks d'énergie

L'énergie peut être stockée 储存 de différentes façons : cinétique 动能, gravitationnelle potentielle 重力势能, chimique 化学能, élastique (de déformation) 弹性势能, nucléaire 核能, électrostatique 静电能 et interne (thermique) 内能.

L'énergie est transférée 转移 entre les stocks par des forces (travail mécanique), par des courants électriques, par chauffage et par ondes (telles que la lumière et le son).

Énergie cinétique et énergie potentielle

L'énergie cinétique est l'énergie d'un objet en mouvement :

La variation de l'énergie gravitationnelle potentielle lorsqu'un objet monte ou descend d'une hauteur $\Delta h$ :

Conservation de l'énergie

Le principe de conservation de l'énergie 能量守恒定律 stipule que l'énergie n'est ni créée ni détruite ; elle se déplace seulement entre les stocks. Un objet qui tombe transforme l'énergie gravitationnelle potentielle en énergie cinétique. Un diagramme de Sankey 桑基图 montre comment l'énergie d'entrée se divise en énergie utile et perdue 浪费 énergie.

Exemple résolu. Une balle de $0.50\ \text{kg}$ est lâchée d'une hauteur de $1.8\ \text{m}$. En négligeant la résistance de l'air, trouvez sa vitesse juste avant qu'elle ne touche le sol. (Prenne $g = 10\ \text{m/s}^2$.)

Toute l'énergie potentielle gravitationnelle devient énergie cinétique, donc $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. La masse s'annule, laissant $v^2 = 2g\,\Delta h$ :

Comme la masse s'annule, tout objet lâché de cette hauteur atterrira à la même vitesse.

Travail

Le travail effectué 做功 est égal à l'énergie transférée. Lorsqu'une force déplace un objet :

L'unité du travail et de l'énergie est le joule 焦耳 (J).

Puissance

La puissance 功率 est le travail effectué (ou l'énergie transférée) par unité de temps.

L'unité est le watt 瓦特 (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.

Rendement

L'efficacité 效率 indique quelle partie de l'énergie d'entrée devient de l'énergie utile.

L'efficacité est toujours inférieure à 100 % car une partie de l'énergie est toujours perdue (généralement sous forme de chaleur). La même idée fonctionne avec la puissance :

Exemple résolu. Un moteur reçoit $200\ \text{J}$ d'énergie électrique et soulève une charge, lui conférant $150\ \text{J}$ d'énergie gravitationnelle potentielle. Trouvez son efficacité.

Ressources énergétiques

Nous produisons de l'électricité à partir de nombreuses ressources énergétiques. La plupart font tourner une turbine qui actionne un générateur – souvent en faisant bouillir de l'eau pour produire de la vapeur (combustibles fossiles, combustible nucléaire, géothermie, biocarburants), ou directement par le mouvement de l'eau ou de l'air (hydroélectrique, vagues, marées, vent). Les cellules solaires produisent de l'électricité directement à partir de la lumière du soleil ; les panneaux solaires chauffent l'eau.

Lorsque vous comparez les ressources, utilisez ces cinq concepts : renouvelabilité 可再生性 (va-t-elle s'épuiser ?), disponibilité 可用性 (est-elle toujours là ? le vent peut cesser et le soleil se couche), fiabilité 可靠性 (donne-t-il une production stable ?), échelle 规模 (combien d'énergie peut-il fournir ?) et impact environnemental 环境影响 (pollution, dioxyde de carbone, terres inondées par un barrage).

La plupart d'elles remontent au Soleil (les combustibles fossiles sont de l'ancien soleil stocké ; le vent et les vagues proviennent du réchauffement solaire) – les exceptions sont l'énergie géothermique, nucléaire et tidale (marémotrice). Le Soleil lui-même est alimenté par la fusion nucléaire 核聚变, joignant des noyaux d'hydrogène en hélium. Les chercheurs étudient comment utiliser la fusion dans des centrales sur Terre, mais aucun réacteur à fusion n'a encore produit plus d'énergie électrique qu'il n'en a consommé.

La pression est la force par unité de surface.

L'unité est le pascal 帕斯卡 (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.

Une petite surface donne une grande pression (un couteau tranchant coupe bien). Une grande surface donne une faible pression (les raquettes à neige empêchent de couler).

Pression dans un liquide

Dans un liquide, la pression augmente avec la profondeur 深度 et avec la densité du liquide :

C'est pourquoi un barrage est construit plus épais en bas, où la pression de l'eau est la plus grande. La pression dans un liquide agit dans toutes les directions.

Exemple résolu. Trouvez la pression supplémentaire à une profondeur de $2.0\ \text{m}$ dans l'eau (densité $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).

• Sur un graphique distance–temps, la pente est la vitesse ; sur un graphique vitesse–temps, la pente est l'accélération et la surface sous la ligne est la distance parcourue. Ne jamais lire un graphique comme s'il était l'autre.
• La masse (kg) est la quantité de matière et est la même partout ; le poids (N) est la force de gravité, $W = mg$. Sur la Lune, votre masse reste inchangée mais votre poids est plus faible.
• La vitesse est un scalaire ; la vitesse vectorielle (vitesse) est un vecteur. Quelque chose se déplaçant à vitesse constante autour d'une courbe accélère encore, car sa direction change constamment.
• Dans la loi de Hooke, la charge est proportionnelle à l'allongement seulement jusqu'à la limite de proportionnalité. Utilisez l'allongement (longueur étirée − longueur originale), jamais la longueur totale.
• La quantité de mouvement $p = mv$ est conservée lors d'une collision. Donnez à chaque vitesse un signe $+$ ou $-$ pour sa direction avant de les additionner.
• Convertissez d'abord les unités (cm → m, g → kg). Utilisez $p = F/A$ pour un solide appuyant sur une surface, mais $p = \rho g h$ pour la pression à l'intérieur d'un liquide — ce sont des formules différentes.

La matière existe sous trois états : solide 固体, liquide 液体 et gaz 气体.

Les changements d'état sont : la fusion (solide → liquide), l'ébullition/évaporation (liquide → gaz), la condensation 凝结 (gaz → liquide) et la solidification 凝固 (liquide → solide). Lors de la condensation, les particules de gaz ralentissent et se rapprochent pour former un liquide. Lors de la solidification, les particules liquides perdent de l'énergie et se fixent dans des positions stables.

Toute la matière est constituée de minuscules particules 粒子 qui sont toujours en mouvement. C'est le modèle cinétique des particules.

• Dans un solide, les particules ne vibrent 振动 qu'autour de positions fixes.
• Dans un liquide, elles restent proches mais peuvent glisser les unes sur les autres.
• Dans un gaz, elles sont éloignées et se déplacent rapidement dans des directions aléatoires.

Température et énergie des particules

Lorsque vous chauffez une substance, ses particules se déplacent plus vite, donc elles ont plus d'énergie cinétique 动能. La température 温度 est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules.

La température la plus basse possible est le zéro absolu 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. À ce moment-là, les particules possèdent l'énergie minimale possible.

Pression gazeuse

Les particules de gaz heurtent les parois de leur contenant. Chaque impact est une petite poussée. La pression 压强 du gaz est la force totale de ces impacts par unité de surface.

• Chauffer un gaz (à volume constant) fait que les particules se déplacent plus vite et frappent plus fort et plus souvent, donc la pression augmente.
• Compresser un gaz dans un plus petit volume (à température constante) signifie plus d'impacts par seconde sur chaque unité de surface, donc la pression augmente.

Pour une masse fixe de gaz à température constante :

Donc si le volume diminue de moitié, la pression double.

Exemple résolu. Un gaz a un volume de $200\ \text{cm}^3$ à une pression de $100\ \text{kPa}$. Il est comprimé à $50\ \text{cm}^3$ à température constante. Trouvez la nouvelle pression.

Puisque $pV$ reste constant, $p_1 V_1 = p_2 V_2$ :

Mouvement brownien

Si vous observez la fumée dans l'air au microscope, vous voyez de minuscules particules se déplacer de manière saccadée et aléatoire. C'est le mouvement brownien 布朗运动. Ces particules sont repoussées par des molécules d'air rapides et invisibles qui les heurtent. C'est une preuve forte du modèle cinétique des particules.

L'échelle de Kelvin

Les scientifiques utilisent souvent l'échelle de température kelvin 开尔文 (K), qui commence au zéro absolu. Pour convertir :

Donc $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

Exemple résolu. Convertissez $25\,{}^{\circ}\text{C}$ en kelvin, et $200\ \text{K}$ en degrés Celsius.

Lorsqu'un matériau est chauffé, ses particules bougent davantage et occupent plus d'espace, ce qui fait que le matériau se dilate. Les gaz se dilatent le plus, suivis des liquides, puis des solides. Cet ordre provient des forces entre les particules : dans un solide, les particules sont maintenues fermement dans un réseau 晶格 (un motif fixe), elles ne peuvent donc vibrer que légèrement plus ; dans un liquide, elles sont retenues moins fortement ; dans un gaz, les forces sont très faibles, donc les particules s'écartent beaucoup plus.

Exemples quotidiens : des espaces sont laissés entre les rails de chemin de fer ; les ponts reposent sur des galets ; un couvercle métallique serré se desserre lorsqu'il est chauffé.

L'énergie interne 内能 d'un objet est l'énergie totale de toutes ses particules. Chauffer un objet augmente son énergie interne et généralement sa température.

La capacité calorifique massique 比热容 est l'énergie nécessaire pour élever la température de 1 kg d'un matériau de 1 °C.

Un matériau à haute capacité calorifique massique (comme l'eau) nécessite beaucoup d'énergie pour chauffer et refroidit lentement.

Exemple résolu. Quelle quantité d'énergie faut-il pour chauffer $2.0\ \text{kg}$ d'eau de $20\,{}^{\circ}\text{C}$ à $70\,{}^{\circ}\text{C}$ ? La capacité thermique massique de l'eau est $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

En réarrangeant $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, on obtient $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, avec $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$ :

Mesurer la capacité calorifique massique. Pour un solide, utilisez un bloc métallique percé de deux trous : l'un pour un chauffeur électrique 加热器 et l'autre pour un thermomètre 温度计. Mesurez la masse $m$ du bloc. Allumez le chauffeur pendant une durée mesurée $t$ et enregistrez le courant $I$ et la tension $V$, de sorte que l'énergie fournie soit $E = IVt$ (ou lisez l'énergie sur un joulemètre). Enregistrez l'élévation de température $\Delta\theta$. Ensuite, $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Pour un liquide, chauffez une masse mesurée de liquide dans un récipient et agitez-le, afin que la température soit uniforme partout. Enveloppez le bloc ou le récipient d'isolant 隔热材料, afin qu'une moindre quantité d'énergie s'échappe vers l'air.

Fusion 熔化 et ébullition 沸腾 nécessitent de l'énergie, mais la température reste constante pendant le changement d'état. Cette énergie brise les forces entre les particules. Pour l'eau à pression atmosphérique normale, la fusion a lieu à $0\,{}^{\circ}\text{C}$ et l'ébullition à $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

Évaporation 蒸发 est le passage d'un liquide à un gaz à sa surface, en dessous du point d'ébullition. Les particules les plus rapides s'échappent de la surface. Puisque les particules les plus rapides (les plus énergétiques) partent, l'énergie moyenne de celles restantes diminue, donc le liquide se refroidit 冷却. Un objet en contact avec un liquide en évaporation se refroidit également, car le liquide prélève de l'énergie sur lui : c'est pourquoi la transpiration refroidit votre peau.

L'évaporation est plus rapide lorsque la température est plus élevée, la surface est plus grande et qu'il y a plus de mouvement d'air au-dessus de la surface.

L'énergie thermique se déplace des zones chaudes vers les zones froides de trois manières.

Conduction

Conduction 热传导 est le transfert d'énergie thermique à travers un matériau sans que le matériau ne se déplace. Les particules d'un solide sont disposées dans un réseau. Les particules chauffées vibrent davantage et transmettent l'énergie à leurs voisines. Dans les métaux, des électrons libres (électrons délocalisés 自由电子) transportent rapidement l'énergie, donc les métaux sont de bons conducteurs thermiques 热导体.

Les matériaux qui conduisent mal (comme l'air, le bois et le plastique) sont des isolants thermiques 热绝缘体.

Tester les conducteurs. Fixez une punaise avec un peu de cire à une extrémité de tiges de cuivre, de fer, de verre et de bois, et chauffez uniformément les autres extrémités. La punaise tombe d'abord de la tige de cuivre, puis de celle de fer, et en dernier (ou jamais) de celle de verre et de bois : les métaux sont les meilleurs conducteurs. Une tige de métal tenue dans une flamme devient vite chaude ; une tige de bois ne chauffe pas.

Les gaz et la plupart des liquides sont de mauvais conducteurs car leurs particules sont éloignées et ne transmettent l'énergie que lors de collisions fortuites. Il n'y a pas de réseau et pas d'électrons libres.

Convection

Convection 对流 se produit dans les liquides et les gaz. Lorsqu'un fluide est chauffé, il se dilate, devient moins dense et monte. Le fluide plus frais et plus dense descend pour prendre sa place. Ce cercle de fluide en mouvement forme un courant de convection.

Montrer la convection. Déposez un cristal de permanganate de potassium 高锰酸钾 violet dans un bécher d'eau et chauffez doucement le bécher sous le cristal. Un flux coloré monte au-dessus de la chaleur, se répand sur le dessus et descend sur les côtés. Dans l'air, une bougie allumée sous une cheminée d'une boîte à fumée aspire la fumée par l'autre cheminée et la rejette au-dessus de la flamme.

La convection ne peut pas se produire dans un solide car les particules ne peuvent pas se déplacer d'un endroit à un autre.

Rayonnement

Rayonnement thermique 热辐射 est l'énergie transportée par des ondes infrarouges 红外线. Tous les objets l'émettent, et il ne nécessite aucun support matériel pour se propager — il peut traverser le vide (c'est ainsi que l'énergie nous atteint depuis le Soleil).

Une surface mate 暗淡 et noire est un bon émetteur 发射体 et un bon absorbeur 吸收te d'infrarouges. Une surface brillante et blanche est un mauvais émetteur et un bon réfléchisseur 反射体.

Comparer les surfaces. Remplissez deux boîtes, l'une mate noire et l'autre argentée brillante, d'eau chaude à la même température, et placez un thermomètre dans chacune. La boîte noire refroidit plus vite, c'est donc le meilleur émetteur. Ensuite, placez les mêmes deux boîtes, remplies d'eau froide, à égale distance d'un radiateur. La boîte noire chauffe plus vite, c'est donc le meilleur absorbeur. Un cube de Leslie 莱斯利立方体 (une boîte métallique avec une face de chaque finition) montre la même chose.

Un objet reste à une température constante lorsqu'il émet de l'énergie au même rythme qu'il en absorbe. Le taux d'émission est plus élevé lorsque la surface est plus chaude et plus grande. Si un objet absorbe de l'énergie plus vite qu'il n'en émet, sa température augmente ; s'il en émet plus vite qu'il n'en absorbe, sa température baisse.

La température de la Terre. La Terre absorbe le rayonnement solaire et émet du rayonnement infrarouge vers l'espace. Sa température moyenne reste constante uniquement lorsque les deux taux sont égaux. Tout ce qui modifie cet équilibre change la température. Les gaz dans l'atmosphère 大气 comme le dioxyde de carbone absorbent une partie de l'infrarouge émis et renvoient une partie vers le bas, donc davantage de ces gaz réchauffe la Terre. Les nuages et la glace réfléchissent la lumière solaire entrante, donc moins de glace signifie plus d'énergie absorbée, et la Terre se réchauffe davantage.

Exemples quotidiens

• Une poêle de cuisine a une base métallique qui conduit rapidement l'énergie vers les aliments, et une poignée en plastique ou en bois qui est un isolant, afin de pouvoir la tenir.
• Un radiateur 散热器 chauffe une pièce par convection : l'air à proximité se réchauffe, monte, et l'air plus frais s'écoule pour prendre sa place, réchauffant ainsi toute la pièce.
• Assis près d'un feu, vous ressentez immédiatement son rayonnement sur votre visage ; l'air entre vous et le feu est un mauvais conducteur.
• Une bouteille thermos 保温瓶 garde une boisson chaude en stoppant les trois transferts : le vide entre ses parois doubles empêche la conduction et la convection, et ses surfaces argentées brillantes bloquent le rayonnement.

• Dans le modèle cinétique des particules, chauffer un gaz fait bouger ses particules plus vite et les fait heurter les parois plus fort et plus souvent, augmentant ainsi la pression. Les particules elles-mêmes ne grossissent pas.
• L'évaporation ne se produit qu'à la surface et à n'importe quelle température ; l'ébullition se produit dans tout le liquide à une température fixe. L'évaporation refroidit le liquide restant, car les particules les plus rapides s'échappent.
• Pendant la fusion et l'ébullition, la température reste constante même si de l'énergie est encore fournie — cette énergie brise les forces entre les particules.
• Pour la capacité calorifique massique, utilisez $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, où $\Delta\theta$ est la variation de température, et non la température finale.
• Les surfaces mates noires sont les meilleurs émetteurs et absorbeurs d'infrarouges ; les surfaces brillantes et claires sont les meilleurs réflecteurs. La convection nécessite un fluide pour circuler, elle ne peut donc pas se produire dans un solide.

Une onde 波 transporte de l'énergie 能量 d'un endroit à un autre sans transporter de matière. Par exemple, une vague d'eau fait monter et descendre un bouchon flottant, mais le bouchon ne voyage pas avec la vague. Vous pouvez créer une onde sur une corde en secouant une extrémité vers le haut et le bas, ou sur un long ressort en poussant une extrémité d'avant en arrière. Dans un bain à ondulations 波纹水槽 (un plateau peu profond d'eau avec une lumière au-dessus), vous pouvez observer des vagues d'eau sur un écran en dessous.

Décrire une onde

• front d'onde 波前: une ligne reliant des points sur une onde qui se déplacent ensemble (par exemple, le sommet d'une vaguelette)
• longueur d'onde 波长 ($\lambda$): la distance entre deux fronts d'onde voisins (une onde complète)
• fréquence 频率 ($f$): le nombre d'ondes passant par un point chaque seconde, mesurée en hertz (Hz)
• crête 波峰 (aussi appelée sommet 峰, le haut) et creux 波谷 (le bas)
• amplitude 振幅: la plus grande distance qu'un point parcourt depuis sa position de repos
• vitesse d'onde 波速 ($v$): la rapidité avec laquelle un front d'onde se déplace

Ces grandeurs sont liées par l'équation des ondes :

Exemple résolu. Une onde sonore se déplace à $340\ \text{m/s}$ et a une fréquence de $170\ \text{Hz}$. Trouvez sa longueur d'onde.

Réarranger $v = f\lambda$ donne $\lambda = \dfrac{v}{f}$ :

Deux types d'ondes

• Dans une onde transversale 横波, les particules vibrent perpendiculairement (90°) à la direction de propagation de l'onde (sa propagation 传播). La lumière, les ondes à la surface de l'eau et les ondes sismiques S (les secousses latérales lors d'un séisme) sont transversales.
• Dans une onde longitudinale 纵波, les particules vibrent dans la même direction que celle de propagation de l'onde. Le son et les ondes sismiques P sont longitudinales.

Comportement des ondes

Toutes les ondes peuvent montrer trois comportements, que l'on peut observer dans un bac à ondulations :

• réflexion 反射: l'onde rebondit sur une surface.
• réfraction 折射: l'onde change de vitesse (et généralement de direction) lorsqu'elle pénètre dans un matériau ou une profondeur différente.
• diffraction 衍射: l'onde s'étale après avoir passé par une fente ou autour d'un bord. L'étalement est maximal lorsque la fente a environ la même taille que la longueur d'onde.

Réflexion

Lorsque la lumière frappe un miroir, elle se réfléchit. Nous mesurons les angles par rapport à la normale 法线 (une ligne à 90° par rapport à la surface).

La loi de réflexion : l'angle d'incidence 入射角 est égal à l'angle de réflexion 反射角.

Un miroir plan 平面镜 forme une image de même taille que l'objet, située à la même distance derrière le miroir, et virtuelle (elle ne peut pas être captée sur un écran).

Réfraction

Lorsque la lumière passe d'un matériau à un autre, elle change de vitesse et se courbe. L'angle dans le second matériau est l'angle de réfraction 折射角.

Observer la réfraction. Faites passer un faisceau étroit provenant d'une boîte à rayons 光线盒 vers un bloc de verre rectangulaire posé sur du papier. Marquez le rayon entrant et celui sortant, retirez le bloc, et reliez les marques pour dessiner le rayon à l'intérieur du verre. Tracez la normale là où le rayon entre et mesurez l'angle d'incidence et l'angle de réfraction avec un rapporteur. Répétez avec un bloc semi-circulaire ou un prisme : le rayon se rapproche toujours de la normale en entrant dans le verre et s'en éloigne en sortant.

L'indice de réfraction 折射率 $n$ compare la vitesse de la lumière dans les deux matériaux :

Exemple résolu. Un rayon de lumière passe de l'air vers du verre. L'angle d'incidence est de 60° et l'angle de réfraction est de 35°. Trouvez l'indice de réfraction du verre. (Prenez $\sin i = 0.87$ et $\sin r = 0.57$.)

Lorsque la lumière essaie de sortir du verre ou de l'eau et que l'angle est trop grand, elle ne peut pas s'échapper et se réfléchit entièrement. C'est la réflexion totale interne 全反射. Elle se produit lorsque l'angle intérieur est supérieur à l'angle critique 临界角 $c$ :

Cet effet est utilisé dans les fibres optiques 光纤, de fins fils de verre qui transportent des signaux lumineux pour les téléphones et Internet.

Lentilles

Une lentille convergente 凸透镜 (épaisse au milieu) courbe les rayons parallèles vers un point appelé foyer principal 焦点. L'axe principal 主光轴 est la ligne droite passant par le centre de la lentille perpendiculairement à celle-ci ; le foyer principal se trouve sur cet axe. La distance du centre de la lentille au foyer principal est la distance focale 焦距. Une lentille divergente 凹透镜 (mince au milieu) disperse les rayons parallèles comme s'ils provenaient d'un foyer situé du côté d'entrée.

Une lentille convergente peut former une image réelle 实像 (les rayons se rencontrent réellement ; visible sur un écran) ou, lorsque l'objet est très proche, une image virtuelle 虚像 (les rayons semblent seulement provenir d'elle). Utilisée près de l'œil, une lentille convergente est une loupe 放大镜.

Décrivez une image avec trois paires de mots : agrandie 放大的 ou réduite 缩小的 (ou de même taille), droite 正立 ou inversée 倒立 (tête en bas), et réelle ou virtuelle. Un objet situé loin au-delà du foyer donne une image réduite, inversée et réelle (comme dans un appareil photo). Un objet situé entre le foyer et la lentille donne une image agrandie, droite et virtuelle (une loupe).

Correction de la vue. Une personne myope 近视 voit clairement les objets proches mais floue les objets lointains : l'œil focalise la lumière devant la rétine 视网膜 (l'arrière de l'œil). Une lentille divergente placée devant l'œil disperse d'abord les rayons pour qu'ils se focalisent sur la rétine. Une personne hypermétrope 远视 voit clairement les objets lointains mais floue les objets proches : l'œil focalise la lumière derrière la rétine. Une lentille convergente rassemble les rayons un peu avant qu'ils n'entrent dans l'œil.

Dispersion

Un prisme 棱镜 en verre sépare la lumière blanche en les couleurs du spectre 光谱. Ce fractionnement s'appelle la dispersion 色散.

L'ordre des couleurs est rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. La lumière rouge a la plus longue longueur d'onde et la plus basse fréquence ; le violet est l'inverse. La lumière d'une seule fréquence (une couleur pure) est monochromatique 单色.

Le spectre électromagnétique est une famille d'ondes qui voyagent toutes à la même grande vitesse dans un vide 真空, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Du plus long à la plus courte longueur d'onde (de la plus basse à la plus haute fréquence) :

En passant des ondes radio aux rayons gamma, la fréquence augmente, la longueur d'onde diminue, et l'énergie (et le danger) augmentent. La vitesse des ondes électromagnétiques dans l'air est presque la même que dans le vide.

Satellites. La communication avec les satellites artificiels 人造卫星 utilise principalement les micro-ondes, car elles traversent l'atmosphère. Certains téléphones satellites utilisent des satellites en orbite basse 低轨道, proches de la Terre. D'autres téléphones satellites et la télévision par satellite directe utilisent des satellites en orbite géostationnaire 地球静止轨道, qui restent au-dessus du même point sur la Terre.

Signaux numériques et analogiques

Les ondes radio et les micro-ondes transportent des informations sous forme de signaux, et un signal est soit analogique 模拟, soit numérique 数字. Un signal analogique varie continûment et peut prendre n'importe quelle valeur ; un signal numérique est un flux de seulement deux valeurs, marche/arrêt (1 ou 0). Le son peut être envoyé sous l'une ou l'autre forme de signal : un microphone fournit un signal analogique, qui peut être converti en numérique.

Les communications modernes préfèrent le signal numérique pour deux raisons que l'examen demande :

• un taux plus élevé de transmission de données;
• une portée plus grande : un signal numérique faible peut être régénéré en un signal propre 1/0 exactement, car il ne faut distinguer que deux niveaux, ce qui élimine le bruit accumulé sur le trajet. Un signal analogique ne peut pas être nettoyé de cette manière, son bruit s'accumule donc.

Le son est produit par un objet vibrant. C'est une onde longitudinale : l'air est comprimé dans une compression 压缩 (particules proches) et étiré dans une rarefaction 稀疏 (particules éloignées).

• Le son a besoin d'un milieu 介质 (un matériau) pour se propager, il ne peut donc pas voyager dans le vide.
• Les humains peuvent entendre des fréquences allant d'environ $20\ \text{Hz}$ à $20\,000\ \text{Hz}$.
• Le son voyage beaucoup plus lentement que la lumière (environ $340\ \text{m/s}$ dans l'air), et plus vite dans les liquides et les solides que dans les gaz.
• Une amplitude plus grande produit un son plus fort (plus grande loudness 响度) ; une fréquence plus élevée produit un pitch 音调 plus haut. Ainsi, les clics rapides du dauphin sont aigus, et un coup de tambour fort (grande vibration) est sonore.

Un son réfléchi est un écho 回声.

Mesurer la vitesse du son. Deux élèves se tiennent à une distance connue, par exemple 500 m, mesurée avec un mètre ruban ou un compteur de roulement. L'un tape deux blocs de bois ensemble. L'autre démarre un chronomètre lorsqu'il voit les blocs se toucher et l'arrête lorsqu'il entend le bruit. La lumière arrive presque instantanément, donc le temps mesuré correspond au temps de propagation du son, et vitesse = distance ÷ temps. Répéter et faire une moyenne pour réduire l'erreur de temps de réaction. La méthode de l'écho nécessite une seule personne : applaudir à une distance connue d'un grand mur et chronométrer le son réfléchi, en se rappelant que le son parcourt l'aller et le retour.

Exemple résolu. Un étudiant se tient à 85 m d'un grand mur et applaudit une fois. L'écho revient 0.50 s plus tard. Trouvez la vitesse du son.

Le son parcourt l'aller-retour vers le mur, soit une distance de $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, en $0.50\ \text{s}$ :

Les ultrasons 超声波 sont des sons situés au-dessus de $20\,000\ \text{Hz}$ – trop aigus pour être entendus par les humains. Leurs applications reposent sur la réflexion : le sonar mesure la profondeur de l'eau, l'imagerie médicale visualise un fœtus ou des tissus mous, et le contrôle non destructif détecte des fissures dans le métal sans l'ouvrir. Comme un écho, une impulsion ultrasonore parcourt l'aller et le retour, donc diviser la distance totale par deux pour atteindre l'objet.

Exemple résolu. Une impulsion sonar revient du fond marin $0.10\ \text{s}$ après avoir été envoyée ; le son voyage à $1500\ \text{m/s}$ dans l'eau. L'impulsion parcourt $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ aller-retour, donc la mer a une profondeur de $150/2 = 75\ \text{m}$.

• Apprendre $v = f\lambda$ et être prêt à le réarranger. Mesurer tous les angles d'incidence, de réflexion et de réfraction par rapport à la normale (la ligne à 90° par rapport à la surface), jamais par rapport à la surface elle-même.
• Les ondes transversales vibrent perpendiculairement à la direction de propagation (lumière, eau) ; les ondes longitudinales vibrent le long de celle-ci (son). Le son a besoin d'un milieu, il ne peut donc pas traverser le vide ; la lumière peut.
• La réflexion totale interne ne se produit que lorsque la lumière passe d'un milieu dense à un milieu moins dense et que l'angle intérieur est supérieur à l'angle critique.
• Connaître le spectre électromagnétique par ordre : radio, micro-ondes, infrarouge, visible, ultraviolet, rayons X, gamma. Tous voyagent à la même vitesse dans le vide ; la fréquence et l'énergie augmentent du radio au gamma.
• En entrant dans un milieu plus dense (air → verre), la lumière ralentit et se courbe vers la normale ; en sortant (verre → air), la lumière accélère et se courbe loin de la normale.

Un aimant 磁体 peut attirer certains métaux. Tout aimant possède deux extrémités appelées pôles 磁极 : un pôle nord 北极 (pôle N) et un pôle sud 南极 (pôle S).

La règle pour deux pôles est similaire à celle des charges :

• Les pôles identiques (N et N, ou S et S) se repoussent 排斥 (s'écartent) : c'est la repulsion 排斥力.
• Les pôles différents (N et S) s'attirent 吸引 (se rapprochent) : c'est l'attraction 吸引力.

Un aimant attire un matériau magnétique 磁性材料, comme le fer, l'acier, le cobalt et le nickel. D'autres matériaux (cuivre, plastique, bois) sont non magnétiques et ne ressentent aucune force.

Aimantation induite

Placer un morceau de fer près ou en contact avec un aimant rend le fer lui-même magnétique. C'est l'aimantation induite 感应磁性. L'extrémité du fer la plus proche de l'aimant acquiert le pôle opposé, si les deux s'attirent alors.

Aimants temporaires et permanents

• Le fer tendre 软铁 est facile à magnetiser 磁化 mais perd rapidement sa magnétisation. Il est utilisé pour un aimant temporaire 临时磁体.
• L'acier 钢 est plus difficile à magnetiser mais conserve sa magnétisation. Il est utilisé pour un aimant permanent 永磁体.

Ainsi, un morceau de fer tendre non magnetisé 未磁化 est le meilleur noyau pour un électroaimant, tandis que l'acier est idéal pour un aimant en barre.

Champs magnétiques

Un champ magnétique 磁场 est une zone 区域 où un pôle magnétique subit une force. On le représente par des lignes de champ magnétique 磁场线 :

• Les lignes partent du pôle N et entrent dans le pôle S.
• La direction du champ en un point est la direction de la force exercée sur le pôle N d'un petit aimant-test placé à cet endroit.
• Là où les lignes sont rapprochées, le champ est fort ; là où elles sont espacées, le champ est faible.

On peut visualiser ce motif en saupoudrant des grenailles de fer 铁屑 sur du papier posé sur un aimant, ou en déplaçant une petite boussole de traçage 指南针 autour de celui-ci (l'aiguille s'aligne selon le champ).

Utilisations des aimants

• Aimants permanents : fermoirs de porte de réfrigérateur, aiguilles de boussole, haut-parleurs.
• Électroaimants 电磁铁 (magnétiques uniquement tant qu'un courant circule) : grues soulevant des ferrailles, cloches électriques, relais. Un électroaimant peut être allumé/éteint et rendu plus puissant, contrairement à un aimant permanent.

Les forces magnétiques surviennent parce que les champs des deux aimants se poussent et s'attirent mutuellement.

Il existe deux types de charge électrique 电荷 : charge positive 正电荷 et charge négative 负电荷. La règle est similaire à celle des pôles — les mêmes charges se repoussent, les charges différentes s'attirent.

Charge par friction

Lorsque vous frottez deux matériaux différents ensemble, les électrons 电子 (minuscules particules négatives) se déplacent de l'un à l'autre. C'est la charge par friction 摩擦起电.

• Le matériau qui gagne des électrons devient négatif.
• Le matériau qui perd des électrons devient positif.

Seuls les électrons négatifs bougent ; la charge positive reste en place. Par exemple, une baguette de plastique frottée avec un tissu devient négative car les électrons se déplacent du tissu vers la baguette, laissant le tissu positif.

Détecter une charge. Une baguette chargée ramasse de petits morceaux de papier et courbe un mince filet d'eau provenant d'un robinet. Accrocher une baguette chargée à un fil et approcher une autre baguette chargée : si les deux ont le même type de charge, la baguette suspendue s'éloigne. La répulsion est le seul test sûr pour une charge, car l'attraction se produit aussi avec les objets non chargés.

Conducteurs et isolants

• Un conducteur 导体 (cuivre et autres métaux) permet à la charge de circuler facilement, car il possède des électrons libres mobiles.
• Un isolant 绝缘体 (plastique, caoutchouc, verre) ne permet pas à la charge de circuler, car ses électrons ne peuvent pas bouger librement.

Pour tester un matériau, le brancher dans un circuit avec une lampe et une batterie : la lampe s'allume uniquement pour un conducteur.

Champs électriques et ions

La charge est mesurée en coulombs 库仑 (C). Un champ électrique 电场 est une zone où une charge électrique subit une force. Sa direction en un point est la direction de la force exercée sur une charge positive. Schémas simples de champs (les flèches indiquent la direction) :

• autour d'une charge ponctuelle 点电荷 : lignes droites pointant loin d'une charge positive et vers une charge négative ;
• autour d'une boule chargée (sphère) : identique, s'étalant uniformément tout autour ;
• entre deux plaques parallèles portantes des charges opposées : lignes droites, régulièrement espacées, de la plaque positive vers la plaque négative.

Un atome est normalement neutre. S'il perd des électrons, il devient un ion 离子 positif ; s'il gagne des électrons, il devient un ion négatif.

Un courant électrique 电流 est un flux de charge électrique. Il est mesuré en ampères 安培 (A) avec un ampèremètre 电流表, branché en série dans le circuit.

Un analogue 模拟 ampèremètre possède une aiguille qui se déplace sur une échelle ; un digital 数字 ampèremètre affiche la valeur sous forme numérique. Tous deux sont proposés avec différentes ranges 量程. Choisissez l'échelle juste au-dessus du courant maximal attendu afin d'obtenir une lecture précise : une gamme 0–1 A pour un courant d'environ 0.4 A, ou une gamme 0–100 mA pour quelques milliampères.

Le courant est la charge passant par un point chaque seconde :

Ici $I$ est le courant (A), $Q$ est la charge (C) et $t$ est le temps (s). Réarrangé, $Q = It$.

Exemple résolu. Un courant de $3.0\ \text{A}$ traverse une lampe pendant $20\ \text{s}$. Quelle quantité de charge passe à travers ?

Dans un métal, le courant est un flux d'électrons libres 自由电子. Il y a deux "directions" à connaître :

• Conventional current 常规电流 est considéré comme circulant de + à − autour de l'extérieur de la pile.
• Les électrons libres se déplacent réellement dans l'autre sens, de − à +.

Un courant continu 直流电 (c.c.) circule toujours dans un seul sens, comme celui d'une batterie. Un courant alternatif 交流电 (c.a.) change constamment de direction plusieurs fois par seconde, comme celui du réseau électrique 市电.

Une pile fournit de l'énergie 能量 aux charges qui la traversent. Deux grandeurs décrivent cela, toutes deux mesurées en volts 伏特 (V).

• La force électromotrice 电动势 (f.e.m.) d'une source est le travail électrique qu'elle effectue pour faire circuler une charge unitaire tout autour d'un circuit 电路 complet.
• La différence de potentiel 电势差 (d.p.) aux bornes d'un composant est le travail effectué par une charge unitaire lorsqu'elle passe à travers ce composant.

Un voltmètre 电压表 mesure la f.e.m. ou la d.p. Il est connecté en parallèle (aux bornes du composant). Comme les ampèremètres, les voltmètres sont analogiques ou numériques et ont différentes plages : choisissez la plage juste au-dessus de la plus grande tension que vous attendez.

Les deux représentent le travail effectué par unité de charge :

où $W$ est l'énergie transférée (J) et $Q$ est la charge (C). Par exemple, si une pile effectue $120\ \text{J}$ de travail pour déplacer $60\ \text{C}$ de charge autour d'un circuit, sa f.e.m. est $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

Résistance 电阻 mesure la difficulté qu'il y a pour que le courant circule. Une résistance plus élevée donne un courant plus faible. Elle est mesurée en ohms 欧姆 (Ω).

Mesurer la résistance. Connecter le composant en série avec une pile, un interrupteur, un ampèremètre et un résistance variable 可变电阻器, et connecter un voltmètre aux bornes du composant. Fermer l'interrupteur, lire $I$ et $V$, puis modifier la résistance variable pour obtenir plusieurs autres paires de lectures. Calculer soit $R = V/I$ pour chaque paire et prendre la moyenne, soit tracer $V$ en fonction de $I$ : pour un fil métallique à température constante, le graphique est une ligne droite passant par l'origine, et sa pente est $R$.

Exemple résolu. Une pile de $12\ \text{V}$ fait circuler un courant de $0.50\ \text{A}$ à travers une lampe. Trouver la résistance de la lampe.

Pour un fil métallique à température constante :

• un fil plus long a une plus grande résistance — la résistance est directement proportionnelle 成正比 à la longueur, $R \propto l$;
• un fil plus épais a une plus petite résistance — la résistance est inversement proportionnelle 成反比 à la section transversale 横截面积, $R \propto \dfrac{1}{A}$.