Physique Chimie 3ème

1. Atomes, molécules et ions

a) Définitions essentielles

• Atome : constitué d’un noyau (protons + neutrons) autour duquel gravitent des électrons.
• Molécule : assemblage de plusieurs atomes liés entre eux.
• Ion : atome ou groupe d’atomes ayant une charge électrique (positive ou négative).

b) Structure de l’atome

• Le noyau contient presque toute la masse de l’atome.
• Taille du noyau : environ $10^{-15}$ m.
• Taille de l’atome : environ $10^{-10}$ m.
• Le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit que l’atome.
• L’atome est majoritairement du vide entre le noyau et les électrons.
• Un atome est électriquement neutre : nombre de protons = nombre d’électrons.

c) Particules subatomiques

d) Symboles des éléments chimiques courants

e) Nombre de masse et notation

• Nombre de masse (A) : nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau.
• Numéro atomique (Z) : nombre de protons dans le noyau.
• Un atome est noté sous la forme : $${}^{A}_{Z}X$$ où $X$ est le symbole de l’élément.

f) Exemple de molécule

• La molécule d’éthanol contient :
  • 2 atomes de carbone (C)
  • 6 atomes d’hydrogène (H)
  • 1 atome d’oxygène (O)
• Formule brute : $C_2H_6O$

À retenir : Un atome est électriquement neutre car il contient autant de protons que d’électrons.

1. Identification des ions

Atome : constitué d’un noyau (protons + neutrons) et d’électrons autour.

• Numéro atomique (Z) : nombre de protons dans le noyau, caractéristique de l’élément chimique.
• Nombre de neutrons : masse atomique (nombre de nucléons) – nombre de protons.
• Nombre d’électrons : égal au nombre de protons dans un atome neutre.

2. Tableau périodique des éléments

• Les éléments sont classés par numéro atomique croissant (Z).
• Il comporte 18 colonnes (groupes) et 7 lignes (périodes).
• Chaque case indique : symbole de l’élément, numéro atomique, masse atomique (nombre de nucléons).

3. Ions

• Un ion est un atome ou groupe d’atomes chargé électriquement.
• Ion positif (cation) : perte d’électrons, charge positive.
• Ion négatif (anion) : gain d’électrons, charge négative.

4. Identification des ions en solution

• La nature d’un ion est déterminée par son symbole chimique et sa charge.
• Exemple :
  • $Na^+$ : ion sodium, 11 protons, 10 électrons (perte d’un électron).
  • $Cl^-$ : ion chlorure, 17 protons, 18 électrons (gain d’un électron).

À retenir : Le numéro atomique (Z) identifie l’élément chimique, la charge indique si c’est un ion et son type (cation ou anion).

1. Ions : définition et classification

• Un ion est un atome ou un groupe d'atomes ayant perdu ou gagné des électrons.
• Cations : ions positifs formés par la perte d'électrons.
  Exemples : $\mathrm{Fe}^{3+}$, $\mathrm{Fe}^{2+}$, $\mathrm{Al}^{3+}$
• Anions : ions négatifs formés par le gain d'électrons.
  Exemples : $\mathrm{Cl}^-$, $\mathrm{F}^-$, $\mathrm{SO}_4^{2-}$

2. Neutralité électrique d'une solution

• Une solution est électriquement neutre : la somme des charges positives des cations est égale à la somme des charges négatives des anions.

À retenir : Dans une solution, la charge totale des cations = charge totale des anions.

1. Ions et solutions ioniques

• Une solution ionique contient autant de charges positives que de charges négatives.
• Elle s’écrit sous la forme : $(\text{ions } + + \text{ions } -)$.

Exemples :

2. Identification des ions par précipitation

• Certains réactifs permettent d’identifier des ions en formant des précipités colorés.
• Exemples de réactifs : soude (NaOH), nitrate d’argent (AgNO₃), chlorure de baryum (BaCl₂).

3. Réactions chimiques de précipitation

• Lorsqu’un ion rencontre un réactif adapté, une réaction chimique produit un précipité solide insoluble.
• Exemples de réactions :

$$\mathrm{Cu}^{2+} + 2\mathrm{HO}^{-} \rightarrow \mathrm{Cu(OH)}_{2} \quad \text{(précipité bleu)}$$ \mathrm{Ag}^{+} + \mathrm{Cl}^{-} \rightarrow \mathrm{AgCl} \quad \text{(précipité blanc)} $$` > **À retenir :** Un précipité est un solide formé lors d’une réaction chimique entre ions en solution.

1. pH : solutions acides, basiques et neutres

• Solution acide : pH entre 0 et 6,99, présence majoritaire d’ions H⁺.
• Solution basique : pH entre 7,01 et 14, présence majoritaire d’ions HO⁻.
• Solution neutre : pH = 7, même concentration d’ions H⁺ et HO⁻.

À retenir : Le pH mesure l’acidité ou la basicité d’une solution.

2. Mesure du pH

• Papier pH : bandelette qui change de couleur selon le pH.
• Indicateur coloré acido-basique (ex : jus de chou rouge) : change de couleur selon le pH.
• pH-mètre : appareil électronique affichant directement la valeur du pH.

3. Effet de la dilution

• Diluer une solution (ajouter de l’eau pure) fait rapprocher le pH de 7 (neutralisation progressive).

4. Précautions avec solutions très acides ou très basiques

• Manipuler avec gants, lunettes et blouse car elles sont corrosives et dangereuses.

5. Réaction entre un acide et une base (neutralisation)

• Lorsqu’un acide réagit avec une base, ils se neutralisent en formant de l’eau et un sel (réaction de neutralisation).
• Exemple général :
  $\mathrm{H}^+ + \mathrm{HO}^- \rightarrow \mathrm{H_2O}$

6. Précipité

• Un précipité est un solide qui se forme dans une solution lors d’une réaction chimique.
• Exemple :
  $\mathrm{Zn}^{2+} + 2\mathrm{HO}^- \rightarrow \mathrm{Zn(OH)}_2 \downarrow$
  où $\mathrm{Zn(OH)}_2$ est un précipité solide.

1. Composition de l'atmosphère

L'atmosphère est un mélange de plusieurs gaz. Les principaux composants sont :

2. Propriétés des gaz atmosphériques

• Azote (N₂) : gaz inerte, ne réagit pas facilement.
• Oxygène (O₂) : nécessaire à la respiration et à la combustion.
• Dioxyde de carbone (CO₂) : gaz à effet de serre, produit par la respiration et la combustion.
• Argon (Ar) : gaz noble, inerte.

3. Réactions chimiques dans l'atmosphère

• Les réactions entre acides et bases, ou entre acides et métaux, peuvent libérer des gaz comme le dihydrogène (H₂).
• Exemple : réaction entre un acide chlorhydrique (HCl) et une solution d'hydroxyde de sodium (NaOH) :

$$\mathrm{H}^{+} + \mathrm{HO}^{-} \rightarrow \mathrm{H}_{2}\mathrm{O}$$

• Lorsqu'un acide réagit avec certains métaux, les ions hydrogène (H⁺) réagissent avec le métal pour produire du dihydrogène gazeux (H₂) et des ions métalliques.

4. Conservation lors des réactions chimiques

• Conservation de la masse : le nombre d'atomes est le même avant et après la réaction.
• Conservation des charges électriques : la somme des charges positives et négatives est identique des deux côtés de l'équation.

5. Exemple de réaction acide-métal

Réaction entre l'acide chlorhydrique et le fer :

$$2 \mathrm{H}^{+} + \mathrm{Fe} \rightarrow \mathrm{H}_{2} + \mathrm{Fe}^{2+}$$

• Le dihydrogène (H₂) produit est inflammable et peut exploser au contact d'une flamme (détonation « POP »).

À retenir : L'atmosphère est principalement composée d'azote et d'oxygène, et les réactions chimiques impliquant des acides peuvent libérer du dihydrogène, un gaz inflammable.

1. Réactions chimiques avec des métaux et des ions

• Lorsqu'un métal réagit avec un acide, il peut libérer des ions hydrogène sous forme de gaz $H_2$ et former des ions métalliques.
• Exemple : réaction entre l'acide chlorhydrique ($H^+$) et le zinc ($Zn$)
  $2 H^{+} + Zn = H_2 + Zn^{2+}$
• Exemple : réaction entre l'acide chlorhydrique et l'aluminium ($Al$)
  $6 H^{+} + 2 Al = 3 H_2 + 2 Al^{3+}$
• Certains métaux comme l'or, l'argent ou le cuivre ne réagissent pas avec l'acide chlorhydrique (pas de réaction).
• Ions spectateurs : ions qui ne participent pas à la réaction chimique et ne figurent pas dans l'équation.

2. Conservation des atomes dans une réaction chimique

• Dans toute réaction chimique, le nombre d'atomes de chaque élément est conservé des deux côtés de l'équation.
• Il faut toujours vérifier et équilibrer les équations chimiques pour respecter cette règle.

3. Exemples de transformations chimiques : combustions

À retenir : Une transformation chimique modifie la nature des substances avec conservation des atomes, contrairement à une transformation physique où la nature reste la même.

1. Masse volumique $\rho$

La masse volumique $\rho$ d'un matériau est la masse $m$ contenue dans un volume $V$. Elle s'exprime par la formule :

$$\rho = \frac{m}{V}$$

• $m$ en kilogrammes (kg) ou grammes (g)
• $V$ en mètres cubes (m³) ou centimètres cubes (cm³)
• $\rho$ en kilogrammes par mètre cube (kg/m³) ou grammes par centimètre cube (g/cm³)

Exemple : Pour un morceau d'Hassium de volume $V = 1200\, \text{cm}^3$ et masse $m = 48,9\, \text{kg}$,
$\rho = \frac{48900\, \text{g}}{1200\, \text{cm}^3} = 40,8\, \text{g/cm}^3 = 40800\, \text{kg/m}^3$.

2. États de la matière

Les trois états principaux de la matière sont solide, liquide et gazeux. Ils se distinguent par l'organisation et le mouvement des molécules :

3. Atmosphère terrestre

L'air est un mélange de plusieurs gaz. Sa composition principale est :

• Azote (N₂) : environ 78 %
• Oxygène (O₂) : environ 21 %
• Autres gaz (argon, dioxyde de carbone, vapeur d'eau, etc.) : environ 1 %

L'air est donc un mélange gazeux essentiel à la vie sur Terre.

1. Composition de l'air

• L'air est un mélange de gaz :

  • 78 % de diazote (N₂), arrondi à 80 % (soit 4/5)
  • 21 % de dioxygène (O₂), arrondi à 20 % (soit 1/5)
  • 1 % d'autres gaz : dioxyde de carbone (CO₂), argon (Ar), dihydrogène (H₂), etc.

• Le dioxygène (O₂) est essentiel à la respiration et aux combustions.

• La masse volumique de l'air est d'environ 1 g/L (1 litre d'eau pèse 1 kg).

2. Différences entre transformation physique, transformation chimique et mélange

À retenir : Une transformation chimique modifie la nature des substances, tandis qu'une transformation physique ne change que leur état ou leur forme.

1. Énergie : définition et propriétés

• Énergie : capacité d'un objet à effectuer des transformations.
• L'énergie se transfère et se transforme.
• Unité officielle : le Joule (J).

2. Sources d'énergie

3. Formes d'énergie

• Énergie mécanique : liée au mouvement ou à la position d'un objet.
• Énergie thermique : liée à la température d'un corps.
• Énergie chimique : stockée dans les liaisons des molécules.
• Énergie électrique : liée au déplacement des charges électriques.
• Énergie lumineuse : transportée par la lumière.

4. Transformation et transfert d'énergie

• Une source d'énergie produit une transformation (ex : énergie chimique → énergie électrique).
• L'énergie peut être transférée d'un système à un autre (ex : énergie électrique → énergie lumineuse dans une ampoule).
• Lors d'une transformation, une partie de l'énergie peut être perdue sous forme de chaleur (effet Joule).

À retenir : L'énergie ne se crée pas ni ne se détruit, elle se transforme et se transfère.

5. Différence entre transformation physique, chimique et mélange

6. Tests caractéristiques des gaz (à connaître)

1. Formes d'énergie

L'énergie peut se présenter sous différentes formes selon sa source ou son type :

2. Conversion d'énergie

Un dispositif convertit une forme d'énergie en une autre :

• Pile : convertit l’énergie chimique en énergie électrique.
• Alternateur (dynamo) : convertit l’énergie cinétique en énergie électrique.

3. Transfert d'énergie

L'énergie peut être transférée d'un corps à un autre principalement par :

• Le travail d'une force : une force appliquée sur un objet peut lui transmettre de l'énergie.
• Le transfert thermique : propagation de la chaleur entre corps, notamment par conduction (transmission de chaleur sans déplacement de matière, du corps chaud vers le corps froid).

À retenir : L'énergie peut changer de forme (conversion) et se transmettre d'un corps à un autre (transfert).

1. Production de l'énergie électrique

• Principe : Une turbine est mise en mouvement (par vapeur d'eau, vent, etc.) et entraîne la rotation d'un alternateur.
• Alternateur : composé d'un aimant (rotor) qui tourne à l'intérieur d'une bobine fixe (stator).
• Fonction : convertit l'énergie cinétique (mouvement) en énergie électrique.
• Tension produite :
  • alternative (polarité change alternativement + et -),
  • variable (valeur qui varie dans le temps).

2. Répartition de la production électrique en France (2017)

• La vapeur d'eau est souvent utilisée pour faire tourner la turbine, qu'elle provienne de sources renouvelables ou non renouvelables.

L'alternateur transforme l'énergie mécanique de la turbine en énergie électrique sous forme de tension alternative variable.

1. Tension électrique alternative et sinusoïdale

La tension délivrée par EDF dans nos maisons est une tension alternative, périodique, variable et sinusoïdale.

• Alternative : la tension change de signe (+ et -) régulièrement.
• Périodique : la forme de la tension se répète identiquement dans le temps.
• Variable : la valeur de la tension change continuellement.
• Sinusoïdale : la courbe de la tension a la forme d’une onde arrondie (sinus).

2. Caractéristiques de la tension alternative

• La période $T$ est la durée d’un motif qui se répète, mesurée entre deux points identiques sur la courbe.
• La fréquence $f$ est le nombre de périodes par seconde, exprimée en hertz (Hz), avec la relation : $$f = \frac{1}{T}$$

3. Tension efficace

• La tension efficace $U_{\text{eff}}$ est la valeur mesurée par un voltmètre en courant alternatif.
• Elle correspond à la tension continue qui produirait la même puissance dissipée dans une résistance.

La tension du secteur est une tension alternative sinusoïdale de fréquence 50 Hz, de période 20 ms, avec une tension efficace de 230 V et une tension maximale d’environ 320 V.

1. Énergie potentielle de position

• L'énergie potentielle de position $\mathrm{Ep}$ dépend de la masse $m$, de la hauteur $h$ et de la gravité $g$.
• Formule : $$\mathrm{Ep} = m \times g \times h$$
• On peut calculer la masse ou la hauteur si on connaît $\mathrm{Ep}$ : $$m = \frac{\mathrm{Ep}}{g \times h} \quad , \quad h = \frac{\mathrm{Ep}}{m \times g}$$

2. Énergie mécanique

• L'énergie mécanique $\mathrm{E}_m$ est la somme de l'énergie cinétique $\mathrm{E}_c$ et de l'énergie potentielle $\mathrm{E}_p$ : $$\mathrm{E}_m = \mathrm{E}_c + \mathrm{E}_p$$
• Lors de la chute d'un objet, $\mathrm{E}_p$ diminue tandis que $\mathrm{E}_c$ augmente.
• L'énergie mécanique se conserve si on néglige les pertes dues aux frottements.

3. Sécurité routière : distance d'arrêt

• La distance d'arrêt $\mathrm{D}_A$ est la somme de la distance de réaction $\mathrm{D}_R$ et de la distance de freinage $\mathrm{D}_F$ : $$\mathrm{D}_A = \mathrm{D}_R + \mathrm{D}_F$$
• Lors du freinage, l'énergie cinétique $\mathrm{E}_c$ du véhicule est convertie en énergie thermique (chaleur) par les freins.

À retenir : L'énergie mécanique totale (cinétique + potentielle) se conserve en l'absence de frottements.

1. Loi d'Ohm

La loi d'Ohm relie la tension $U$, l'intensité $I$ et la résistance $R$ dans un circuit électrique.

a) Définition

• Un conducteur est dit ohmique si la relation entre la tension $U$ à ses bornes et l'intensité $I$ qui le traverse est linéaire.

• La loi d'Ohm s'écrit alors :

  $$U = R \times I$$

  où :

  • $U$ est la tension en volts (V),
  • $I$ est l'intensité en ampères (A),
  • $R$ est la résistance en ohms ($\Omega$).

b) Résistance électrique

• La résistance $R$ mesure la difficulté pour le courant de circuler dans un conducteur.
• Plus $R$ est grande, plus le courant est faible pour une même tension.
• La résistance dépend du matériau, de la longueur et de la section du conducteur.

c) Utilisation pratique

• Pour un conducteur ohmique, si on connaît deux grandeurs parmi $U$, $I$ et $R$, on peut calculer la troisième grâce à la loi d'Ohm.

  Par exemple :

  • $I = \frac{U}{R}$
  • $R = \frac{U}{I}$

d) Représentation graphique

• La courbe $U = f(I)$ est une droite passant par l'origine.
• La pente de cette droite correspond à la résistance $R$.

À retenir : La loi d'Ohm s'exprime par $U = R \times I$ pour un conducteur ohmique, liant tension, intensité et résistance.

1. Puissance électrique

• Puissance nominale : quantité d'énergie échangée par un appareil en 1 seconde.

• Un objet est puissant s'il convertit une grande quantité d'énergie en un temps très court.

• En courant continu, la puissance électrique est donnée par la formule :

  $$P = U \times I$$

  où $P$ est la puissance en watts (W), $U$ la tension en volts (V), et $I$ l'intensité en ampères (A).

• En courant alternatif (pour appareils résistifs comme lampes, résistances, plaques chauffantes), on utilise les valeurs efficaces :

  $$P_{\mathrm{eff}} = U_{\mathrm{eff}} \times I_{\mathrm{eff}}$$

2. Énergie électrique

• L'énergie électrique $E$ transférée pendant une durée $t$ par un appareil de puissance $P$ est :

  $$E = P \times t$$

• Les formules associées sont :

  $$P = \frac{E}{t} \quad \text{et} \quad t = \frac{E}{P}$$

• Unités :

  • $P$ en watts (W)
  • $t$ en secondes (s)
  • $E$ en joules (J)

À retenir : La puissance électrique mesure la rapidité à laquelle l'énergie est transférée, et l'énergie électrique est le produit de la puissance par le temps.

1. Énergie électrique

• L'énergie électrique consommée par un appareil est donnée par la formule :
  $E = P \times t$
  où :

  • $E$ est l'énergie en joules (J), wattheures (Wh) ou kilowattheures (kWh)
  • $P$ est la puissance en watts (W) ou kilowatts (kW)
  • $t$ est le temps en secondes (s) ou heures (h)

• Conversion d'unités :

  Unité	Équivalence en joules (J)
  1 Wh	3600 J
  1 kWh	3 600 000 J

• Exemple :
  Pour un sèche-cheveux de puissance 1200 W utilisé 10 minutes :
  $E = 1.2 \times \frac{10}{60} = 0.2 \text{ kWh}$
  Coût : $0.12 \times 0.2 = 0.24\,€$

2. Loi d'Ohm

• Pour un dipôle ohmique (résistance), la tension $U$ est proportionnelle à l'intensité $I$ :
  $U = R \times I$
  avec $R$ la résistance en ohms ($\Omega$).

• Formules associées :
  $R = \frac{U}{I} \quad \text{et} \quad I = \frac{U}{R}$

3. Lois de l'électricité dans les circuits

À retenir : Dans un circuit en série, les tensions s'additionnent ; dans un circuit en dérivation, la tension est identique sur chaque branche.

1. Référentiel

• Référentiel : système de référence dans lequel on étudie le mouvement d’un objet.
• Le choix du référentiel est essentiel car la trajectoire dépend du référentiel choisi.

2. Trajectoire

• Trajectoire : ensemble des positions successives occupées par un objet au cours du temps dans un référentiel donné.
• Elle peut être une droite, un cercle, une courbe quelconque.

3. Résumé des notions clés

La trajectoire d’un objet est toujours définie par rapport à un référentiel donné.

1. Vitesse et types de mouvements

a) Vitesse moyenne

• La vitesse moyenne d’un objet est le rapport entre la distance parcourue et la durée du déplacement.
• Formule : $$v = \frac{d}{\Delta t}$$ où
  $v$ = vitesse moyenne (en m/s),
  $d$ = distance parcourue (en m),
  $\Delta t$ = durée du déplacement (en s).

b) Types de mouvements

c) Sens et direction de la vitesse

• La vitesse est une grandeur vectorielle : elle a une direction, un sens et une valeur.
• Le sens de la vitesse correspond au sens du déplacement.

À retenir : La vitesse moyenne se calcule toujours sur un intervalle de temps donné et correspond à la distance totale divisée par la durée totale.

d) Exemple simple

Si un cycliste parcourt 12 km en 30 minutes, sa vitesse moyenne est :

$$v = \frac{12\,000\,m}{1800\,s} = 6,7\, m/s$$

1. 3/ Mouvements, forces et interactions

a) Référentiel

• Référentiel : objet ou point de vue par rapport auquel on étudie un mouvement.
• Le mouvement (trajectoire + vitesse) dépend du référentiel choisi.
• Exemple :
  • Dans le référentiel du train, une personne assise est immobile.
  • Dans le référentiel du quai, cette même personne est en mouvement.

b) Trajectoire

• La trajectoire est l'ensemble des positions successives d’un point au cours du temps.
• On étudie souvent la trajectoire du centre de gravité (ou centre de masse) d’un objet, noté $G$, car c’est la trajectoire la plus simple à analyser.

La trajectoire est la courbe décrite par un point au cours de son mouvement.

2. Rappel utile (extrait du cours précédent)

• Exemple : Pour une plaque à induction de puissance $P = 5800\,W$ sous une tension $U = 230\,V$, l’intensité demandée est
  $I = \frac{P}{U} = \frac{5800}{230} = 25,2\,A$
• On choisira un fil de section 6 mm² (supporte jusqu’à 32 A) et un disjoncteur ou fusible de 32 A pour protéger le circuit.

À retenir : Le mouvement d’un objet dépend du référentiel choisi, et la trajectoire est la courbe décrite par un point (souvent le centre de gravité) au cours du temps.

1. Masse et poids

• Masse : quantité de matière contenue dans un objet, exprimée en kilogrammes (kg). La masse est une grandeur constante, indépendante du lieu.

• Poids : force exercée par la gravité sur un objet, exprimée en newtons (N). Le poids dépend de la masse de l’objet et de la gravité locale.

2. Relation entre poids et masse

Le poids $\vec{P}$ d’un objet de masse $m$ est donné par la formule :

$$\vec{P} = m \times \vec{g}$$

• $m$ : masse en kilogrammes (kg)
• $\vec{g}$ : intensité du champ gravitationnel (en général $g \approx 9,8 \, \text{N/kg}$ sur Terre)
• $\vec{P}$ : poids en newtons (N)

3. Remarques importantes

• Le poids varie selon l’endroit (Terre, Lune, etc.) car la gravité change.
• La masse reste la même partout.

À retenir : Le poids est une force proportionnelle à la masse, liée à la gravité par $\vec{P} = m \times \vec{g}$. La masse est une grandeur constante, le poids dépend du lieu.

1. Interactions et forces

• Interaction : lorsque deux objets A et B agissent l’un sur l’autre simultanément, ils sont en interaction (actions réciproques).
• Deux types d’interactions :
  • Interactions de contact : nécessitent un contact local entre objets.
  • Interactions à distance : s’exercent sans contact, au nombre de trois :
    • Interaction gravitationnelle : entre objets ayant une masse.
    • Interaction magnétique : entre objets aimables ou aimants.
    • Interaction électrique : entre objets chargés électriquement.

2. Représentation des interactions

• Un objet subit des interactions que l’on peut représenter par un Diagramme Objet-Interactions.
• Chaque interaction mécanique est modélisée par une force, un vecteur caractérisé par :
  • Direction
  • Sens
  • Point d’application
  • Valeur (en newtons, N)

À retenir : Toute interaction mécanique se traduit par une force, un vecteur défini par sa direction, son sens, son point d’application et sa valeur.

1. Impesanteur

a) Définitions clés

• Poids ($\vec{P}$) : force verticale dirigée vers le bas, vers le centre de la Terre.

  • Point d'application : centre de gravité $G$ de l'objet.
  • Sa valeur est constante pour un objet donné à un endroit donné.

• Réaction du support ($\vec{R}$) : force exercée par un support sur un objet.

  • Toujours perpendiculaire au support.
  • Point d'application : point de contact entre l'objet et le support.

b) Équilibre statique

Un objet est en équilibre statique (immobile) si et seulement si les forces qui s'exercent sur lui se compensent.
Cela signifie que :

• Les forces ont la même direction,
• Les forces ont la même valeur,
• Les forces ont des sens opposés.

c) Effets d'une force

Une force peut provoquer sur un objet :

• La mise en mouvement,
• La modification de la trajectoire ou de la vitesse,
• La déformation.

d) Mesure d'une force

• Une force se mesure avec un dynamomètre.
• La longueur de la flèche représentant la force est proportionnelle à sa valeur.

À retenir : La flèche du poids est toujours la même longueur pour un objet donné, son point d'application est le centre de gravité.

2. Gravitation

• La gravitation est une interaction attractive entre deux masses.
• En 1687, Newton a formulé la loi de la gravitation universelle qui explique le mouvement des planètes.

À retenir : La gravitation est la force qui attire les objets vers le centre de la Terre, ce qui crée le poids.

1. Poids et masse

Le poids d’un objet est la force gravitationnelle exercée sur sa masse par une planète, généralement ressentie comme une attraction vers le centre de cette planète.

• Le poids est proportionnel à la masse de l’objet.

• La relation s’écrit :
  $P = m \times g$
  où
  $P$ = poids (en newtons, N),
  $m$ = masse (en kilogrammes, kg),
  $g$ = intensité de la pesanteur (en newtons par kilogramme, N/kg).

• L’intensité de la pesanteur $g$ dépend de la planète, de l’altitude et de la latitude.

Sur Terre, la valeur moyenne de $g$ est :
$g = 9,8 \, \text{N/kg}$

Le poids varie donc selon la planète où l’on se trouve, même si la masse reste constante.

1. Masse et poids

• Masse ($m$) : quantité de matière d’un objet, constante partout dans l’Univers, mesurée en kilogrammes (kg) avec une balance.
• Poids ($P$) : force d’attraction gravitationnelle exercée sur un objet, dépend de la gravité locale, mesuré en newtons (N) avec un dynamomètre.

Formule du poids :

$$P = m \times g$$

où $g$ est l’intensité de la pesanteur (en N/kg).

2. Exemple de calculs

1. Homme de masse $70\,\mathrm{kg}$ sur Terre ($g=9,8\,\mathrm{N/kg}$) :

$$P = 70 \times 9,8 = 686\,\mathrm{N}$$

2. Homme de masse $85\,\mathrm{kg}$ et poids $383\,\mathrm{N}$ :
   Calcul de $g$ :

$$g = \frac{P}{m} = \frac{383}{85} \approx 4,5\,\mathrm{N/kg}$$

(Attention, dans l’exemple donné, $g=3,8\,\mathrm{N/kg}$ correspond à Mars.)

3. Force de gravitation selon Newton

Deux corps de masses $m_A$ et $m_B$, sphériques, séparés par une distance $d$, s’attirent mutuellement avec une force :

$$F = G \times \frac{m_A \times m_B}{d^2}$$

• $F$ : force d’attraction gravitationnelle (en newtons, N)
• $G$ : constante de gravitation universelle ($6,67 \times 10^{-11}\,\mathrm{N \cdot m^2/kg^2}$)
• $m_A$, $m_B$ : masses des deux corps (en kg)
• $d$ : distance entre les centres des deux masses (en m)

Cette force est attractive et agit le long de la ligne joignant les deux centres.

La force de gravitation est une force d’attraction mutuelle entre deux masses, proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de leur distance.

1. Représentation historique de la Terre

a) Force de gravitation universelle

La force de gravitation entre deux corps de masses $m_1$ et $m_2$ séparés par une distance $d$ est donnée par la formule :

$$F = G \times \frac{m_1 m_2}{d^2}$$

• $G$ est la constante de gravitation universelle : $6,67 \times 10^{-11} \ \text{N·m}^2/\text{kg}^2$.
• Cette force est attractive et agit le long de la droite qui joint les deux masses.

b) Exemples d'application

c) Impesanteur

• Impensanteur signifie être en chute libre, c’est-à-dire soumis uniquement à la force de gravitation, sans autres forces (comme les frottements).
• En impesanteur, on ne ressent plus le poids car on est en chute libre avec le corps attiré par la Terre.

À retenir : La force de gravitation entre deux corps est proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

1. Unités de longueur astronomiques

Pour mesurer les distances dans l'Univers, les unités habituelles (mètre, kilomètre) sont trop petites. On utilise donc des unités adaptées aux très grandes distances.

a) Définitions clés

• Unité astronomique (UA) : unité de base pour mesurer les distances dans le système solaire.
• Année-lumière : distance que la lumière parcourt en une année dans le vide, utilisée pour les distances interstellaires.
• Parsec : unité utilisée en astronomie pour mesurer les distances aux étoiles proches, basée sur la parallaxe.

b) Relations importantes

• Vitesse de la lumière dans le vide :
  $c = 3,0 \times 10^{8} \text{ m/s}$

• Distance parcourue par la lumière en 1 an (année-lumière) :
  $1 \text{ al} = c \times (365 \times 24 \times 3600) \approx 9,46 \times 10^{15} \text{ m}$

• Conversion entre unités :
  $1 \text{ pc} \approx 3,26 \text{ al} \approx 3,1 \times 10^{16} \text{ m}$
  $1 \text{ UA} \approx 1,5 \times 10^{11} \text{ m}$

À retenir : L'unité astronomique sert pour les distances dans le système solaire, l'année-lumière pour les distances interstellaires, et le parsec pour les distances aux étoiles proches.

1. Le Système Solaire

• Formé il y a 4,6 milliards d'années par condensation d'un nuage de gaz et poussières.
• Composé de 8 planètes gravitant autour du Soleil (étoile).
• Contient aussi :
  • Comètes
  • Astéroïdes
  • Planètes naines
  • Satellites

2. Types de planètes

Le Système Solaire s'étend bien au-delà de Neptune.

3. L'année-lumière (a.l)

• Définition : distance parcourue par la lumière dans le vide en 1 an.
• Vitesse de la lumière : $c = 3,00 \times 10^8\,\mathrm{m/s}$ (300 000 km/s).
• Calcul de 1 a.l :
  $1\,\mathrm{a.l} = 300\,000 \times 365,25 \times 24 \times 3600 \approx 10^{13}\,\mathrm{km} \approx 10^{16}\,\mathrm{m}$
  soit environ 10 000 milliards de kilomètres.

4. Exemple d'application

• L'étoile Aldébaran est à 65 a.l de la Terre :
  $65 \times 10^{13} = 6,5 \times 10^{14}\,\mathrm{km}$

5. Conséquence importante

• Regarder loin dans l'espace, c'est regarder dans le passé.
• Exemple : l'étoile Sirius, située à environ 8 a.l, est vue telle qu'elle était il y a 8 ans.

À retenir : L'année-lumière est une unité de distance, non de temps, utilisée pour mesurer les distances astronomiques.
Regarder un objet à plusieurs années-lumière, c’est observer la lumière qu’il a émise il y a autant d’années.

1. Description de l'infiniment petit

• La matière est composée de molécules, elles-mêmes formées d'atomes.
• Un atome est constitué d'un noyau (protons + neutrons) autour duquel gravitent des électrons.
• Taille caractéristique :
  • Atome : environ $10^{-10}\,\mathrm{m}$
  • Noyau : entre $10^{-14}\,\mathrm{m}$ et $10^{-15}\,\mathrm{m}$
• Le noyau est donc 10 000 à 100 000 fois plus petit que l'atome.

2. Point commun entre l'infiniment grand et l'infiniment petit

• L'univers (infiniment grand) et les atomes (infiniment petit) ont une structure lacunaire :
  • Il y a du vide entre les électrons et le noyau.
  • Il y a aussi du vide entre les galaxies et entre les étoiles.
• L'Homme se situe à une échelle intermédiaire entre ces deux extrêmes.

3. Représentation de la Terre au cours de l'Histoire de l'Humanité

La lumière du Soleil met 8 minutes 20 secondes pour parvenir jusqu'à la Terre, donc on voit le Soleil tel qu'il était il y a 8 minutes 20 secondes.

1. Unités de longueur en astronomie

Pour mesurer les distances très grandes dans l’espace, on utilise :

Exemple : Neptune est à 30 UA du Soleil, soit
$30 \times 1,5 \times 10^{8} = 4,5 \times 10^{9}\,\mathrm{km}$

2. Signaux et informations

a) Principe du codage de l'information

• Un émetteur envoie une information codée sous forme d’un signal (sonore, lumineux, électrique, olfactif, gustatif...).
• Un récepteur, adapté au type de signal et au codage, reçoit ce signal et le décode pour récupérer l’information.

À retenir : L'information est transmise grâce à un signal codé, puis décodée par un récepteur adapté.

b) Types de signaux

Chaque type de signal nécessite un codage spécifique pour transmettre l’information efficacement.

1. Le son : caractéristiques

a) Nature et propagation du son

• Le son est une onde mécanique qui se propage dans un milieu matériel (air, eau, fer, etc.).
• Il ne peut pas se propager dans le vide.
• Le son est produit par une source vibrante (ex : corde vocale, haut-parleur, klaxon).

b) Caractéristiques principales du son

c) Types de sons selon la fréquence

• Infrasons : fréquences inférieures à 20 Hz, inaudibles par l’homme.
• Sons audibles : fréquences entre 20 Hz et 20 000 Hz, perçus par l’oreille humaine.
• Ultrasons : fréquences supérieures à 20 000 Hz, inaudibles par l’homme, utilisés en médecine (échographie) ou industrie.

d) Transmission et réception du son

• Le son se transmet par des vibrations successives des particules du milieu.
• Le récepteur du son est généralement l’oreille, qui transforme les vibrations en signaux nerveux.
• Le son peut être capté aussi par des appareils comme les microphones ou haut-parleurs.

À retenir : Le son est une onde mécanique qui nécessite un milieu matériel pour se propager et possède des caractéristiques mesurables (fréquence, amplitude, durée, vitesse) qui déterminent sa perception.

e) Information contenue dans un signal sonore

• Pour comprendre l’information d’un signal sonore (ex : sirène d’un camion), il faut que le son puisse contourner les obstacles ou être perçu clairement malgré les perturbations.
• La qualité de la transmission dépend du milieu et des obstacles rencontrés.

1. Audition et fréquences sonores

a) Fréquence et perception sonore

• La fréquence d'un son correspond au nombre de vibrations par seconde, exprimée en hertz (Hz).
• L'oreille humaine perçoit les sons dans une plage de fréquences appelée spectre audible, généralement de 20 Hz à 20 000 Hz.
• Les sons de fréquence inférieure à 20 Hz sont appelés infrasons, ceux de fréquence supérieure à 20 000 Hz sont des ultrasons.

b) Caractéristiques du son

• La relation entre fréquence et période est :
  $f = \frac{1}{T}$

c) Audition humaine

• L'oreille capte les vibrations sonores et les transforme en signaux électriques envoyés au cerveau.
• La sensibilité de l'oreille varie selon la fréquence : elle est maximale autour de 3000 Hz.
• La perception de la hauteur d'un son dépend de sa fréquence : plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu.

L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz.

d) Signal analogique vs signal numérique

• Un signal analogique est un signal continu qui peut prendre une infinité de valeurs.
• Un signal numérique est un signal discret, codé en valeurs binaires (0 ou 1).
• Le système binaire est utilisé pour coder l'information dans les ordinateurs car ils ne traitent que des données numériques.

e) Codage binaire

• L'information sonore est convertie en une suite de 0 et 1 pour être stockée ou traitée par un ordinateur.
• Ce codage permet de reconstruire le son original à partir des données numériques.

Le codage binaire est la base du traitement numérique du son, permettant sa conservation et sa transmission.

1. Le son : définition et propagation

• Le son est une vibration qui se propage sous forme d'onde sonore dans un milieu matériel (solide, liquide ou gaz).
• Il nécessite un milieu avec des molécules pour se propager : dans le vide, il n’y a pas de son car il n’y a pas de support matériel.
• Exemple de milieux :

  Milieu	Exemple
  Solide	Ficelle
  Liquide	Eau
  Gaz	Air

2. Nature du son

• Un bruit est un ensemble de sons produits par des vibrations irrégulières, sans répétition ni périodicité.
• À l’inverse, un son musical est produit par des vibrations régulières et périodiques.

À retenir : Le son est une onde mécanique qui se propage uniquement dans un milieu matériel.

1. La lumière

• La lumière est une onde électromagnétique visible par l'œil humain.
• Elle se propage en ligne droite dans le vide à une vitesse d'environ $c = 3 \times 10^8$ m/s.
• La lumière peut être décomposée en différentes couleurs, chacune correspondant à une longueur d'onde spécifique.

2. Le spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique regroupe toutes les ondes électromagnétiques classées selon leur longueur d'onde ou leur fréquence.

3. Propriétés des ondes électromagnétiques

• Toutes les ondes électromagnétiques se déplacent à la même vitesse dans le vide : $c = 3 \times 10^8$ m/s.
• La fréquence $f$ et la longueur d'onde $\lambda$ sont liées par la relation :
  $c = \lambda \times f$
• Plus la fréquence est élevée, plus l'énergie transportée par l'onde est grande.

4. Lumière visible et couleurs

• La lumière visible est composée de plusieurs couleurs, du rouge au violet.
• Chaque couleur correspond à une longueur d'onde différente :
  • Rouge : environ $700$ nm
  • Orange : environ $620$ nm
  • Jaune : environ $580$ nm
  • Vert : environ $530$ nm
  • Bleu : environ $470$ nm
  • Violet : environ $420$ nm
• La décomposition de la lumière blanche par un prisme montre ce spectre coloré.

La lumière est une onde électromagnétique dont la fréquence détermine la couleur visible. Le spectre électromagnétique comprend toutes les ondes classées par longueur d'onde et fréquence.

1. Le son : audition

• Seuil de douleur : 120 dB
• Seuil de danger : 95 dB (risque de dommages auditifs irréversibles)
• Domaine audible par l'Homme : de 20 Hz à 20 000 Hz
• Sensibilité maximale : autour de 3000-4000 Hz
• Infrasons : fréquences < 20 Hz, inaudibles
• Ultrasons : fréquences > 20 000 Hz, inaudibles

2. Le son : vitesse de propagation

• La vitesse du son dépend de la densité du milieu : plus le milieu est dense, plus le son se propage vite.
• Vitesse dans différents milieux :

3. La lumière : généralités

• La lumière est une onde électromagnétique capable de se propager dans le vide et dans les milieux transparents.
• Vitesse de la lumière dans le vide :
  $c = 3 \times 10^{8} \text{ m/s} = 300\,000\,\text{km/s}$

4. Condition de visibilité d’un objet

• Pour qu’un objet soit visible, il doit émettre ou réfléchir de la lumière qui atteint l’œil.
• Sans lumière, un objet ne peut pas être vu.

La lumière est une onde électromagnétique qui se propage dans le vide à une vitesse de $3 \times 10^{8}$ m/s.

1. Ombres et lumière

Une ombre est une zone sombre où la lumière n'arrive pas.

a) Conditions pour avoir une ombre :

• Une source de lumière.
• Un objet opaque qui bloque la lumière.

b) Propriétés de l'ombre portée :

À retenir : Une ombre est une zone où la lumière est bloquée par un objet opaque placé devant une source lumineuse.