Tuteur de physiqueTuteur de physique
62 thèmes de physique expliqués à trois niveaux, avec formules, figures et quiz.
Mécanique
Mouvement rectiligneOù, à quelle vitesse, en combien de temps : position , vitesse et accélération , le langage qui décrit le mouvement le long d'une droite.
Vecteurs et mouvement relatifDes flèches qui ont une norme et une direction : additionner et décomposer des vecteurs, la règle de la vitesse relative , et pourquoi un bateau qui vise droit vers l'autre rive accoste en aval.
Chute libreMouvement sous la seule action de la pesanteur : chaque seconde, tout corps gagne la même vitesse vers le bas, avec ; depuis le repos, et , et une balle lourde et une balle légère arrivent ensemble au sol.
Mouvement d'un projectileLancers, tirs et sauts : une trajectoire courbe décomposée en deux mouvements rectilignes, un mouvement horizontal uniforme de vitesse et une chute libre où .
Les lois de NewtonPourquoi les objets démarrent, s'arrêtent et tournent : la force , la masse et les trois lois qui les relient, dont est le cœur.
Frottement et plan inclinéLe frottement s'oppose au glissement : au repos, il peut atteindre , tandis qu'en glissant il vaut . Sur une pente d'angle , un bloc qui descend en glissant accélère à , quelle que soit sa masse.
Mouvement circulairePourquoi tout objet qui tourne en rond est toujours accéléré vers le centre, même quand la valeur de sa vitesse est constante : une accélération , produite par une force réelle dirigée vers l'intérieur, .
Quantité de mouvement et chocsLa quantité de mouvement : pourquoi la quantité de mouvement totale de corps qui se heurtent ne change jamais, alors que leur énergie cinétique , parfois, si.
Dynamique de rotation et moment de forceComment les forces font tourner les objets : moment de force , moment d'inertie et deuxième loi de Newton pour la rotation, .
Équilibre statique et leviersPourquoi les objets restent immobiles : les forces doivent se compenser, , et leurs effets de rotation aussi, , qu'il s'agisse de bascules, de leviers, de poutres ou d'objets qui risquent de se renverser.
Le moment cinétique et sa conservationPourquoi une patineuse tourne plus vite quand elle ramène ses bras : le moment cinétique reste constant tant qu'aucun moment extérieur n'agit.
Gravitation et orbitesPourquoi planètes et satellites tombent sans jamais atterrir : la loi de Newton en inverse du carré, , et les trois lois de Kepler sur les orbites.
Énergie et oscillations
Travail, énergie et puissanceTravail , énergie cinétique , énergie potentielle et puissance : comment les forces transfèrent de l'énergie, et pourquoi le total se conserve.
Machines simples : leviers, poulies et engrenagesComment leviers, poulies et engrenages échangent de la force contre de la distance : l'avantage mécanique , le bilan de travail d'une machine idéale, et le rendement d'une machine réelle.
Élasticité : loi de Hooke, contrainte et déformationPourquoi un ressort s'allonge par pas égaux, , où s'arrête cette règle, et comment la contrainte , la déformation et le module de Young décrivent tout matériau élastique.
Oscillations harmoniquesRessorts et pendules : une force de rappel proportionnelle à l'élongation, , produit une oscillation régulière dont la période ne dépend pas de l'amplitude.
Amortissement et résonancePourquoi les oscillations réelles s'éteignent en , comment l'amortissement va de faible à fort en passant par le critique, , et comment de petites poussées en rythme construisent une résonance d'amplitude .
Fluides
Pression dans les fluides et principe de PascalLa pression augmente avec la profondeur selon , et un liquide transmet intégralement toute poussée ajoutée à chacun de ses points : une petite force sur un piston étroit peut ainsi soulever une voiture.
Poussée d'ArchimèdePourquoi les objets flottent ou coulent : un fluide pousse un corps vers le haut avec une force égale au poids du fluide qu'il déplace, .
Théorème de BernoulliLà où un fluide en mouvement accélère, sa pression baisse : conservation du débit, , et équation de Bernoulli, , dans un tube de Venturi.
Traînée et vitesse limitePourquoi les corps qui tombent cessent d'accélérer : la traînée croît avec la vitesse, selon , jusqu'à équilibrer le poids à la vitesse limite . La viscosité , les parachutes et les formes profilées complètent le tableau.
Ondes et son
Notions de base sur les ondesUne onde transporte de l'énergie d'un endroit à un autre alors que le milieu ne fait qu'osciller sur place ; sa vitesse, sa fréquence et sa longueur d'onde sont liées par .
Le son et l'effet DopplerPourquoi une sirène qui passe devient plus grave : le mouvement comprime ou étire les ondes qui vous parviennent, si bien qu'une source qui approche à s'entend à , où est la vitesse du son.
Volume sonore, intensité et décibelsPourquoi un son s'affaiblit avec la distance, , et comment l'échelle des décibels ramène une gamme immense d'intensités à des nombres de tous les jours.
Ondes stationnairesPourquoi une corde de guitare ne joue que certaines notes : des ondes piégées entre deux extrémités fixes doivent tenir en un nombre entier de demi-longueurs d'onde, , si bien que seules les fréquences survivent.
Interférences et superpositionQuand des ondes se superposent, leurs déplacements s'additionnent simplement, : selon la différence de marche , elles se renforcent ou s'annulent, et à des fréquences légèrement différentes, elles produisent des battements.
Optique
Réflexion et réfractionLa lumière quitte un miroir sous l'angle même sous lequel elle est arrivée, , et est déviée à une frontière selon la loi de Snell-Descartes, , parce que sa vitesse change ; à l'intérieur du verre ou de l'eau, au-delà de l'angle limite , elle est piégée par réflexion totale interne.
Prismes, dispersion et couleursChaque couleur a son propre indice de réfraction , si bien qu'un prisme étale la lumière blanche en un spectre et que les gouttes de pluie renvoient un arc-en-ciel vers 42° ; les lumières colorées s'additionnent, alors que les peintures se soustraient.
Lentilles et miroirsUne lentille mince ou un miroir courbe de distance focale forme une image à la distance donnée par , avec le grandissement ; une lentille convergente la rend réelle et renversée si l'objet est au-delà du foyer, virtuelle, droite et agrandie s'il est en deçà.
L'œil, l'appareil photo et la lunetteComment l'œil met au point avec une puissance d'environ 60 δ alors qu'un appareil photo déplace son objectif, comment les lunettes corrigent la myopie et l'hypermétropie, et comment loupes, microscopes et lunettes astronomiques agrandissent l'angle sous lequel on voit les choses.
Diffraction et fentes de YoungLa lumière qui traverse deux fentes étroites distantes de forme des franges brillantes là où et des franges sombres entre elles : l'expérience classique qui montre que la lumière se comporte comme une onde.
Polarisation de la lumièreLe champ électrique de la lumière vibre en travers du faisceau, selon une direction appelée polarisation. Un polariseur laisse passer la moitié d'une lumière non polarisée, , un second, incliné d'un angle , en laisse passer , et les reflets près de l'angle de Brewster sont polarisés : la physique des lunettes de soleil, des écrans LCD et du cinéma 3D.
Chaleur et thermodynamique
Température et chaleurTempérature , chaleur et capacité thermique massique : pourquoi un corps chaud se refroidit et un corps froid se réchauffe jusqu'à ce que leurs températures s'égalisent, et quelle énergie cela demande, .
Dilatation thermiquePourquoi les ponts ont des joints, pourquoi les thermostats font « clic » et pourquoi les lacs gèlent par le haut : la plupart des matériaux se dilatent quand on les chauffe, selon .
Changements d'état et chaleur latentePourquoi la glace qui fond et l'eau qui bout absorbent de la chaleur sans se réchauffer, et quelle chaleur demande chaque changement d'état : , avec et pour l'eau.
Conduction, convection et rayonnementLes trois modes de transfert de la chaleur : la conduction à travers la matière, ; la convection avec les liquides et les gaz en mouvement ; et le rayonnement, surtout infrarouge, qui traverse même le vide, .
Théorie cinétique des gazLa pression et la température expliquées par d'innombrables molécules qui volent, se heurtent et rebondissent sur les parois : leurs chocs rendent compte de , et la température mesure leur énergie cinétique moyenne, .
Premier principe de la thermodynamique et moteurs thermiquesL'énergie se conserve, , et un moteur thermique transforme en travail une partie de la chaleur qui va du chaud vers le froid, mais jamais la totalité : au mieux la part .
Le second principe de la thermodynamique et l'entropiePourquoi la chaleur va du chaud vers le froid, pourquoi un gaz se répand sans jamais se regrouper tout seul, et comment l'entropie, , donne au temps sa direction.
Électricité
Charge électrique et électricité statiqueLa charge électrique existe en deux signes et toujours en multiples entiers de la charge élémentaire, ; le frottement ne fait que déplacer des électrons d'un corps à l'autre, de sorte que le total se conserve, et un corps chargé attire même les corps neutres en les polarisant.
Loi de CoulombDeux charges ponctuelles et distantes de exercent l'une sur l'autre des forces égales et opposées, d'intensité : répulsives entre charges de même signe, attractives entre charges de signes opposés.
Champ et potentiel électriquesUne charge remplit l'espace qui l'entoure d'un champ électrique , la force sur chaque coulomb, et d'un potentiel , l'énergie de chaque coulomb : une charge positive est poussée dans le sens de , des élevés vers les bas.
CondensateursDeux armatures qui stockent des charges séparées, , et de l'énergie, ; chargées à travers une résistance, elles se remplissent vite au début puis de plus en plus lentement, à un rythme fixé par .
Courant électrique et résistanceCe qu'est vraiment un courant électrique , pourquoi les électrons avancent à pas de tortue, à la vitesse de dérive , alors que le signal file, et comment le matériau, la longueur et la section d'un fil fixent sa résistance, .
Circuits en courant continu et loi d'OhmComment la f.é.m. d'une pile fait circuler un courant constant dans des résistances, et comment tension, intensité et résistance sont liées par la loi d'Ohm, .
Puissance et énergie électriques à la maisonLa puissance dit à quelle vitesse un appareil prélève de l'énergie, le compteur additionne l'énergie en kilowattheures, et les fusibles et disjoncteurs limitent l'intensité pour que le câblage ne surchauffe pas.
Magnétisme et électromagnétisme
Champs magnétiques des aimants et des courantsD'où viennent les champs magnétiques : des aimants, de la Terre et de tout courant électrique. Autour d'un long fil rectiligne, le champ forme des cercles autour du fil et s'affaiblit avec la distance selon .
Force magnétique sur une charge en mouvementUn champ magnétique pousse une charge en mouvement perpendiculairement à sa vitesse, , et courbe sa trajectoire en un cercle de rayon sans jamais modifier la valeur de sa vitesse.
Induction électromagnétiqueComment un flux magnétique variable à travers une bobine induit une f.é.m. : la loi de Faraday, la loi de Lenz pour le sens, et l'alternateur.
Moteurs, générateurs et transformateursComment la force exercée sur un courant dans un champ magnétique fait tourner les moteurs, comment une bobine tournant à engendre une f.é.m. alternative , et comment un transformateur modifie la tension dans le rapport de ses nombres de spires, .
Ondes électromagnétiquesLa lumière, la radio et les rayons X sont des ondulations progressives de champs électrique et magnétique, et , qui traversent toutes le vide à la vitesse ; elles ne diffèrent que par leur longueur d'onde, avec .
Physique moderne
Relativité restreintePourquoi les horloges en mouvement retardent, , les règles en mouvement raccourcissent, , et aucun corps massif ne peut atteindre la vitesse de la lumière , où le facteur de Lorentz croît sans limite.
La gravitation, courbure de l'espace-tempsRelativité générale : la masse et l'énergie courbent l'espace-temps, si bien que les horloges ralentissent près d'une masse, , et que la lumière est déviée de . Une masse comprimée à l'intérieur de devient un trou noir, et les masses accélérées émettent des ondes gravitationnelles.
Rayonnement du corps noir et quantaPourquoi les objets chauds brillent, pourquoi leur couleur passe du rouge au blanc quand la longueur d'onde du pic diminue et que la puissance rayonnée croît comme , et comment l'explication de cette lueur a obligé Planck à inventer les quanta d'énergie, .
Effet photoélectriqueLa lumière arrache des électrons à un métal photon par photon, chacun portant : la couleur décide si l'effet a lieu (), l'intensité seulement combien d'électrons sortent.
Modèles atomiques : l'atome de BohrDes électrons sur des niveaux d'énergie fixes, dans l'hydrogène : chaque saut entre deux niveaux émet ou absorbe un photon dont l'énergie est égale à leur différence, si bien que chaque atome brille dans ses propres couleurs nettes, l'empreinte de son spectre.
Semi-conducteurs, diodes et LEDPourquoi le silicium n'est ni un métal ni un isolant : la bande interdite , le dopage et la jonction p-n à l'origine des diodes, des cellules solaires, des transistors et des LED, dont la couleur suit .
Radioactivité et demi-vieDes noyaux instables se désintègrent à des instants aléatoires, et pourtant le nombre de noyaux non désintégrés d'un grand échantillon est divisé par deux en une durée fixe, la demi-vie : .
Fission, fusion et E = mc²Casser des noyaux lourds ou fusionner des noyaux légers libère de l'énergie, car les produits sont plus fortement liés et un peu plus légers : la masse perdue repart sous forme d'énergie .
Dualité onde-corpusculeÉlectrons et photons se propagent comme des ondes mais sont détectés comme des particules : envoyés un à un à travers deux fentes, ils arrivent en points isolés qui construisent des franges fixées par la longueur d'onde de de Broglie .
Équation de Schrödinger et effet tunnelLa fonction d'onde donne les chances de trouver une particule par , et l'équation de Schrödinger la façonne : dans une boîte, seules les énergies sont permises, et une barrière plus haute que l'énergie de la particule peut tout de même être franchie, avec une probabilité qui décroît comme avec la largeur .
Particules et forces : le modèle standardTout ce qui nous entoure est fait d'une poignée de quarks et de leptons, comme les d'un proton, liés par des forces qui agissent en échangeant des particules messagères : un médiateur de masse ne porte qu'à environ .