L'unité Edexcel IAL Physique 1 (dossier WPH11) est Mécanique et Matériaux : comment les objets se déplacent, ce que font les forces, comment la quantité de mouvement et l'énergie se comportent, et comment les matériaux solides et liquides répondent aux forces.
Le dossier dure 1 heure 30 minutes, pour 80 points, toutes les questions sont obligatoires. Il combine des questions à choix multiples, des réponses courtes, des calculs et une ou deux réponses à développement long notées d'un astérisque (*).
Au moins 32 des 80 points testent les mathématiques au niveau-2 : lecture de graphiques, réarrangement d'équations, trigonométrie et aires.
Une liste de formules est imprimée à la fin du dossier. Apprenez ce que signifie chaque symbole et quand chaque équation est autorisée — la liste donne des formules, pas la compréhension.
Utilisez $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$. Le dossier exige cette valeur ; l'utilisation de $g = 10$ peut faire perdre des points de précision. Donnez les réponses finales avec une unité et un nombre raisonnable de chiffres significatifs (généralement 2–3, correspondant aux données).
Un compteur de vitesse indique la vitesse à un instant donné ; un trajet peut toutefois cacher des arrêts et des accélérations. Cette unité remplace un seul nombre par une vue d'ensemble complète : graphes, vecteurs, forces, quantité de mouvement, énergie et résistance des matériaux.
Mechanics and Materials/mɪˈkænɪks ænd məˈtɪərɪəlz/
Mécanique et Matériaux
asterisk/ˈæstərɪsk/
astérisque
trigonometry/ˌtrɪɡəˈnɒmətri/
trigonométrie
unit/ˈjuːnɪt/
unité
significant figures/sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/
chiffres significatifs
vectors/ˈvektəz/
vecteurs
forces/ˈfɔːsɪz/
forces
momentum/məʊˈmentəm/
quantité de mouvement
1.1
Mouvement : grandeurs et graphes
Programme
Unité Edexcel IAL Physique 1 (WPH11), spécification Édition 3 (juillet 2021), énoncés 1–3 et 11 (pratique centrale 1 ; numérotés entre les énoncés sur la force dans la spécification, enseignés ici avec le mouvement).
être capable d'utiliser les équations du mouvement uniformément accéléré en une dimension : s = (u+v)t/2, v = u + at, s = ut + ½at², v² = u² + 2as
être capable de dessiner et d'interpréter les graphes déplacement-temps, vitesse-temps et accélération-temps
connaître les grandeurs physiques dérivées des pentes et des aires des graphes déplacement-temps, vitesse-temps et accélération-temps, y compris les cas d'accélération non uniforme, et comprendre comment utiliser ces grandeurs
PRATIQUE CENTRALE 1 : Déterminer l'accélération d'un objet en chute libre
Source : Programme Cambridge International
déplacement — variation de position en ligne droite, avec direction (un vecteur). distance — longueur totale du parcours (une grandeur scalaire, sans direction).
vitesse vectorielle — taux de variation du déplacement. vitesse scalaire — taux de variation de la distance.
accélération — taux de variation de la vitesse vectorielle : $a = \dfrac{\Delta v}{\Delta t}$, unité $\text{m s}^{-2}$.
Puisque le déplacement est la ligne droite reliant le point de départ à l'arrivée, un parcours courbe donne toujours une distance > magnitude du déplacement — l'examinateur demande précisément cette comparaison.
Lecture des graphes du mouvement
Sur un graphe déplacement–temps, la pente représente la vitesse vectorielle. Une ligne courbe signifie une vitesse variable ; il faut prendre la pente d'une tangente au point considéré.
Sur un graphe vitesse–temps, la pente correspond à l'accélération, et l'aire entre la ligne et l'axe temporel représente le déplacement. L'aire sous l'axe correspond à un déplacement négatif (mouvement vers l'arrière) ; la distance s'obtient en additionnant les valeurs absolues de toutes les aires.
Sur un graphe accélération–temps, l'aire sous la ligne représente la variation de la vitesse vectorielle.
Une accélération constante non nulle transforme un graphe déplacement–temps en parabole ; une ligne droite sur ce graphe signifie une accélération nulle.
Exemple résolu (style juin 2025). Une ligne de vitesse–temps monte linéairement de $1.8\ \text{m s}^{-1}$ à $t = 4\ \text{s}$ pour atteindre $5.0\ \text{m s}^{-1}$ à $t = 16\ \text{s}$.
Données connues : deux $(t, v)$ paires sur la partie droite. Pourquoi : l'accélération est la pente d'un graphe vitesse–temps.
Vérification : la ligne monte doucement, donc une faible accélération est cohérente.
Les quatre équations suvat
Pour une accélération uniforme (accélération constante) en une dimension, avec $s$ déplacement, $u$ vitesse initiale, $v$ vitesse finale, $a$ accélération, $t$ temps :
$$v = u + at \qquad s = \frac{(u+v)t}{2} \qquad s = ut + \tfrac{1}{2}at^2 \qquad v^2 = u^2 + 2as$$
Choisissez l'équation contenant vos quantités connues et celle que vous cherchez — et évitez les inconnues. Pas de $t$ ? Utilisez $v^2 = u^2 + 2as$. Pas de $a$ ? Utilisez $s = \tfrac{(u+v)}{2}t$.
Ces équations sont valables uniquement tant que l'accélération reste constante. Un graphe vitesse–temps courbe montre une accélération variable ; un graphe déplacement–temps courbe peut tout de même représenter une accélération constante.
La chute libre est une accélération uniforme avec $a = g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$ vers le bas (résistance de l'air négligeable).
Exemple résolu (déduire-comparer, juin 2025 Q13). Un ballon de basket est lancé depuis $1.7\ \text{m}$ au-dessus du sol avec une vitesse verticale initiale $5.1\ \text{m s}^{-1}$ vers le haut, et entre dans le panier en descendant à $2.1\ \text{m s}^{-1}$. Le panier est-il situé $3.0\ \text{m}$ au-dessus du sol ?
Données connues : $u = +5.1\ \text{m s}^{-1}$, $v = -2.1\ \text{m s}^{-1}$ (le bas étant négatif), $a = -9.81\ \text{m s}^{-2}$. Cherché : la hauteur parcourue $\Delta s$. Aucun temps n'est donné, donc utiliser $v^2 = u^2 + 2a\Delta s$.
$$v^2 = u^2 + 2a\Delta s \quad\Rightarrow\quad \Delta s = \frac{v^2 - u^2}{2a}$$
Hauteur du panier $= 1.7\ \text{m} + 1.1\ \text{m} = 2.8\ \text{m} \neq 3.0\ \text{m}$, donc le panier n'était pas à la hauteur réglementaire. Dans une question « déduire si », la dernière marque n'est attribuée que lorsque la comparaison et la conclusion sont explicitées.
Expérience fondamentale 1 : mesurer $g$
Laisser tomber un objet et le mesurer : avec une porte lumineuse ou une vidéo à cadence connue, obtenir $s$ et $t$ (ou les vitesses en deux points) et appliquer une équation suvat. Plus propre : tracer $s$ en fonction de $t^2$ pour $s = \tfrac{1}{2}gt^2$ — une droite passant par l'origine avec une pente $g/2$. Une droite qui ne passe pas par l'origine révèle un décalage systématique, par exemple un décalage fixe dans la distance mesurée. Un retard de temporisation peut également fausser la relation ; une temporisation automatique réduit l'erreur de temps de réaction. Sur une photographie stroboscopique, l'objet se déplace pendant chaque flash. Un flash plus court produit une image plus nette et une plage de positions possibles plus réduite, diminuant l'incertitude sur la lecture de la distance si l'échelle et la résolution de l'image restent inchangées.
comprendre les grandeurs scalaires et vectorielles et connaître des exemples de chaque type de grandeur, ainsi que reconnaître la notation vectorielle
être capable de résoudre un vecteur en deux composantes perpendiculaires entre elles par dessin et par calcul
être capable de trouver la résultante de deux vecteurs coplanaires à tout angle entre eux par dessin, et perpendiculaires entre elles par calcul
comprendre comment utiliser l'indépendance du mouvement vertical et horizontal d'un projectile se déplaçant librement sous l'effet de la gravité
Source : Programme Cambridge International
Un vecteur possède une grandeur et une direction (déplacement, vitesse, accélération, force, quantité de mouvement) ; un scalaire possède uniquement une grandeur (distance, intensité, travail, énergie). La notation vectorielle dans l'énoncé est une flèche au-dessus du symbole, $\vec{F}$.
Résolution et combinaison
La résolution divise un vecteur en deux composantes perpendiculaires : la composante d'une force $F$ faisant un angle $\theta$ par rapport à une direction donnée est $F\cos\theta$ si $\theta$ est mesuré depuis cette direction, $F\sin\theta$ depuis la perpendiculaire. Choisir en dessinant le triangle rectangle, et non par habitude.
La combinaison de deux composantes perpendiculaires reconstruit le vecteur : grandeur $R = \sqrt{F_x^2 + F_y^2}$, direction définie par $\tan\theta = F_y / F_x$.
Combiner avant de carré. La résultante de $500\ \text{N}$ et $200\ \text{N}$ perpendiculaires est $\sqrt{500^2 + 200^2}\ \text{N}$, et non $\sqrt{500^2} + \sqrt{200^2}$.
À tout angle, additionner des vecteurs en dessinant un diagramme à échelle (un triangle vectoriel, nez à queue) ou en résolvant d'abord chaque vecteur en composantes. En équilibre, le triangle vectoriel se ferme : $\vec{W} + \vec{T_1} + \vec{T_2} = 0$.
Exemple résolu. Une boîte repose sur un plan incliné formant un angle $\theta$ avec l'horizontale, son poids $W$ agissant verticalement vers le bas.
Pourquoi : la direction du glissement est parallèle au plan, donc résoudre $W$ en composantes parallèles et perpendiculaires au plan.
À vitesse constante, la force résultante est nulle, donc la friction $F = W\sin\theta$ exactement. ($W\cos\theta$ agit vers l'intérieur du plan et est équilibrée par la force normale de contact.)
Mouvement de projectile
Un projectile en chute libre sous l'effet de la gravité subit deux mouvements indépendants : la vitesse horizontale reste constante (aucune force horizontale), la vitesse verticale change sous l'effet de $g$.
Le temps de chute dépend uniquement du mouvement vertical. Deux balles quittant une table à des vitesses différentes — ou ayant des masses différentes — atterrissent après le même temps : la masse et la vitesse horizontale n'apparaissent pas dans $s = ut + \tfrac{1}{2}gt^2$.
Méthode : résoudre la vitesse de lancement en $u_h = u\cos\theta$ et $u_v = u\sin\theta$ ; appliquer séparément les équations suvat pour chaque direction ; le temps relie les deux.
Exemple résolu (Janvier 2025 Q19). Un projectile est lancé à $500\ \text{m s}^{-1}$, $22^\circ$ au-dessus de l'horizontale, depuis $2.0\ \text{km}$ au-dessus de la mer. Montrer qu'il passe au-dessus d'un navire situé à $15\ \text{km}$ après environ $30\ \text{s}$.
Données connues : $u$, $\theta$, distance horizontale $s_h$. Le mouvement horizontal présente une $a = 0$, donc utilisez $s_h = u_h t$.
Pourquoi une portée maximale existe : augmenter l'angle de lancement augmente $u_v$ (plus de temps dans les airs) mais diminue $u_h$ ; la portée $= u_h \times t$ atteint un maximum entre ces deux effets.
gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/
champ gravitationnel
terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/
vitesse limite
drag/dræɡ/
traînée
conservation of linear momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈlɪnɪə məʊˈmentəm/
conservation de la quantité de mouvement linéaire
isolated system/ˈaɪsəleɪtɪd ˈsɪstəm/
système isolé
moment of a force/ˈməʊmənt əvə fɔːs/
moment d'une force
1.3
Forces et lois de Newton
Programme
Unité Edexcel IAL Physique 1 (WPH11), spécification Édition 3 (juillet 2021), énoncés 8–10 et 12 (énoncé 11, pratique centrale 1, est enseigné sur la fiche 1.1 avec le mouvement).
être capable de dessiner et d'interpréter les diagrammes de forces libres pour représenter les forces agissant sur une particule ou sur un corps étendu mais rigide en utilisant le concept de centre de gravité d'un corps étendu
être capable d'utiliser l'équation ΣF = ma, et comprendre comment utiliser cette équation dans des situations où m est constant (deuxième loi du mouvement de Newton), y compris la première loi du mouvement de Newton où a = 0, objets au repos ou se déplaçant à vitesse constante ; l'utilisation du terme vitesse terminale est attendue
être capable d'utiliser les équations pour l'intensité du champ gravitationnel g = F/m et le poids W = mg
connaître et comprendre la troisième loi du mouvement de Newton et connaître les propriétés des paires de forces dans une interaction entre deux corps
Source : Programme Cambridge International
Un schéma des forces ne représente que les forces agissant sur l'objet choisi — jamais les forces que l'objet exerce sur d'autres objets. Sur un corps étendu, le poids agit au centre de gravité.
Première loi de Newton : une force résultante nulle signifie qu'il n'y a pas de changement de mouvement — au repos ou en mouvement rectiligne uniforme. Une vitesse constante ne signifie pas « aucune force » ; cela signifie que les forces sont équilibrées.
Deuxième loi de Newton : $\sum F = ma$. La force résultante provoque l'accélération ; lister toutes les forces, choisir une direction positive, puis appliquer.
Troisième loi de Newton : lorsque le corps A exerce une force sur le corps B, B exerce une force égale et opposée sur A. La paire agit sur des corps différents, est du même type de force et agit le long de la même ligne. Le poids d'un livre et la force normale de contact de la table ne forment pas une paire de la troisième loi : ils agissent sur le même corps.
poids$W = mg$ ; intensité du champ gravitationnel$g = \dfrac{F}{m}$, donc $g = 9.81\ \text{N kg}^{-1}$.
Vitesse terminale : lorsque l'objet en chute accélère, la traînée augmente jusqu'à ce que la traînée (+ poussée d'Archimède) égale le poids ; la force résultante est alors nulle et la vitesse cesse de changer. « Terminale » décrit l'équilibre des forces, pas une limite de vitesse inscrite dans la nature.
Exemple résolu (Juin 2025 Q11). Une force résultante de $4800\ \text{N}$ accélère un bateau à $0.31\ \text{m s}^{-2}$. Trouver le poids du bateau.
Données connues : $\sum F$, $a$. Pourquoi : $\sum F = ma$ les relie à la masse ; $W = mg$ relie la masse au poids.
$$\sum F = ma \quad\Rightarrow\quad m = \frac{\sum F}{a} = \frac{4800\ \text{N}}{0.31\ \text{m s}^{-2}} = 15\,500\ \text{kg}$$
comprendre que la quantité de mouvement est définie comme p = mv
connaître le principe de conservation de la quantité de mouvement linéaire, comprendre comment le relier aux lois du mouvement de Newton et comprendre comment l'appliquer à des problèmes en une dimension
Source : Programme Cambridge International
quantité de mouvement$p = mv$, un vecteur, unité $\text{kg m s}^{-1}$.
Conservation de la quantité de mouvement linéaire : lorsque la force externe résultante est nulle (ou son impulsion lors d'une interaction brève est négligeable), la quantité de mouvement totale avant un événement est égale à celle après. Attribuer des signes aux vitesses : choisir une direction comme positive et la conserver.
La conservation de la quantité de mouvement découle des deuxième et troisième lois de Newton : les forces entre les deux corps sont égales et opposées, agissent pendant le même temps, donc les variations de quantité de mouvement sont égales et opposées.
L'énergie cinétique n'est pas nécessairement conservée lors d'une collision ; la quantité de mouvement l'est toujours (dans un système isolé).
Exemple résolu (Juin 2025 Q10). Un train de masse $3m$ à la vitesse $v$ rencontre un wagon de masse $m$ à la vitesse $2v$ dans l'autre sens ; ils s'accouplent. Trouver la nouvelle vitesse.
Données : masses, vitesses de sens opposés. Pourquoi : système isolé, donc conservation de la quantité de mouvement avec signes. Prendre la direction du train comme positive.
$$p_{\text{before}} = p_{\text{after}}$$
$$3m \times v + m \times (-2v) = (3m + m)\,V$$
$$mv = 4mV \quad\Rightarrow\quad V = \frac{v}{4}$$
Vérification : les quantités de mouvement s'annulent presque, donc une faible vitesse combinée dans la direction du train est cohérente.
être capable d'utiliser l'équation du moment d'une force, moment de force = Fx, où x est la distance perpendiculaire entre la ligne d'action de la force et l'axe de rotation
être capable d'utiliser le concept de centre de gravité d'un corps étendu et d'appliquer le principe des moments à un corps étendu en équilibre
Source : Programme Cambridge International
Le moment d'une force par rapport à un pivot est $\text{moment} = Fx$, où $x$ est la distance perpendiculaire entre le pivot et la ligne d'action de la force. Si la force agit sur le levier sous un angle $\theta$, utiliser la composante perpendiculaire $F\sin\theta$ ou la distance perpendiculaire — jamais les deux simultanément.
Principe des moments : en équilibre, la somme des moments horaux = la somme des moments antihoraux (le moment résultant est nul).
Un équilibre complet nécessite les deux : force résultante nulle et moment résultant nul. Une bascule avec des enfants de même masse placés à égale distance satisfait ces deux conditions ; si elle sont à des distances inégales, les forces se compensent mais pas les moments.
Pour une poutre uniforme, le poids agit au centre géométrique.
Exemple résolu (Juin 2025 Q19). Un rail uniforme, de longueur $1.40\ \text{m}$ et de poids $95\ \text{N}$, est incliné à $42^\circ$ par rapport à l'horizontale, articulé à une extrémité. Un piston exerce une poussée de $160\ \text{N}$ sous un angle $18^\circ$ par rapport au rail, à une distance $0.37\ \text{m}$ du pivot. Quelle force perpendiculaire $F$ appliquée à l'extrémité de la poignée suffit pour soulever le rail ?
Données : géométrie, deux forces, deux angles. Pourquoi : le soulèvement imminent correspond à un équilibre autour du pivot, appliquer le principe des moments avec les composantes perpendiculaires.
Si l'on tire verticalement depuis la poignée : sa distance perpendiculaire au pivot est inférieure à la longueur du rail, donc une force plus grande serait nécessaire pour générer le même moment.
être capable d'utiliser l'équation du travail ΔW = FΔs, y compris les calculs lorsque la force n'est pas alignée avec la ligne de mouvement
être capable d'utiliser l'équation Ek = ½mv² pour l'énergie cinétique d'un corps
être capable d'utiliser l'équation ΔEgrav = mgΔh pour la différence d'énergie potentielle gravitationnelle près de la surface terrestre
connaître et comprendre comment appliquer le principe de conservation de l'énergie, y compris l'utilisation du travail effectué, de l'énergie potentielle gravitationnelle et de l'énergie cinétique
être capable d'utiliser les équations reliant la puissance, le temps et l'énergie transférée ou le travail effectué P = E/t et P = W/t
être capable d'utiliser les équations rendement = énergie utile produite / énergie totale fournie et rendement = puissance utile produite / puissance totale fournie
Source : Programme Cambridge International
travail$\Delta W = F\Delta s$ lorsque la force est parallèle au déplacement ; si la force fait un angle $\theta$ avec le mouvement, seule la composante parallèle effectue du travail : $\Delta W = F\Delta s\cos\theta$.
énergie cinétique$E_k = \tfrac{1}{2}mv^2$ — doubler la vitesse quadruple l'énergie.
énergie potentielle gravitationnelle$\Delta E_{\text{grav}} = mg\Delta h$ près de la surface terrestre.
Conservation de l'énergie : l'énergie se transfère ou se transforme, jamais créée ni détruite. Lors d'une chute avec traînée, $\Delta E_{\text{grav}}$ se convertit en $E_k$plus le travail fourni contre la résistance de l'air ; à la vitesse terminale, $E_k$ est constante, donc tout l'$\Delta E_{\text{grav}}$ est dissipé par le travail contre la traînée.
puissance$P = \dfrac{E}{t} = \dfrac{W}{t}$ — énergie transférée par unité de temps.
rendement$= \dfrac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} = \dfrac{\text{useful power output}}{\text{total power input}}$.
Exemple résolu (Juin 2025 Q14). Une voiture électrique de masse $1800\ \text{kg}$ roulant à $14\ \text{m s}^{-1}$ freine jusqu'à l'arrêt sur une pente, gagnant une hauteur de $0.76\ \text{m}$ ; la batterie récupère $45\ \text{kJ}$. Calculer le rendement du freinage.
Données : $m$, $v$, $\Delta h$, gain de la batterie. Pourquoi : l'énergie totale fournie est celle extraite par les freins — énergie cinétique perdue moins l'énergie gravitationnelle que conserve la voiture grâce à son élévation finale.
être capable d'utiliser l'équation de densité ρ = m/V
comprendre comment utiliser la relation poussée d'Archimède = poids du fluide déplacé
a) être capable d'utiliser l'équation de traînée visqueuse (loi de Stokes) F = 6πηrv ; b) comprendre que cette équation s'applique uniquement aux petites sphères se déplaçant à basse vitesse avec un écoulement laminaire (ou en l'absence d'écoulement turbulent) et que la viscosité dépend de la température
PRATIQUE CENTRALE 2 : Utiliser la méthode de chute de bille pour déterminer la viscosité d'un liquide
Source : Programme Cambridge International
densité$\rho = \dfrac{m}{V}$. Pour une sphère, $V = \tfrac{4}{3}\pi r^3$.
poussée d'Archimède = poids du fluide déplacé — le poids du fluide déplacé, pas son volume ni sa masse.
Loi de Stokes : frottement visqueux sur une petite sphère à basse vitesse en écoulement laminaire est $F = 6\pi\eta rv$, avec $\eta$ la viscosité, $r$ le rayon, $v$ la vitesse. Elle n'est valable que pour les petites sphères se déplaçant lentement sans turbulence, et $\eta$ diminue lorsque le liquide se réchauffe dans cette expérience ; les gaz ne suivent généralement pas cette tendance.
Expérience fondamentale 2 : viscosité par méthode de chute de bille
Déposez une bille métallique dans un éprouvette graduée contenant le liquide. Attendez qu'elle atteigne sa vitesse terminale, puis chronométrez son parcours sur une distance marquée. À la vitesse terminale, les forces sont en équilibre : poids = poussée d'Archimède + frottement, donc
Vous avez besoin du rayon et de la masse (ou de la densité) de la bille, de la densité de l'huile, de la distance de chute et du temps. L'huile chaude est moins visqueuse, donc la bille tombe plus vite et le temps mesuré est plus court.
être capable d'utiliser l'équation de la loi de Hooke ΔF = kΔx, où k est la rigidité de l'objet
comprendre comment utiliser les relations (tension ou compression) contrainte = force / section transversale, (tension ou compression) déformation = variation de longueur / longueur initiale, et module de Young = contrainte / déformation
a) être capable de dessiner et d'interpréter des graphiques force–allongement et force–compression ; b) comprendre les termes limite de proportionnalité, limite élastique, point de plasticité, déformation élastique et déformation plastique et être capable de les appliquer à ces graphiques
être capable de dessiner et d'interpréter des graphiques contrainte–déformation en tension ou en compression, et comprendre le terme contrainte de rupture
PRATIQUE CENTRALE 3 : Déterminer le module de Young d'un matériau
être capable de calculer l'énergie de déformation élastique Eel dans un échantillon de matériau déformé, en utilisant l'équation ΔEel = ½FΔx, et à partir de l'aire sous le graphique force–allongement ; l'estimation de l'aire et donc du changement d'énergie pour les graphiques force–allongement linéaires et non linéaires est attendue
Source : Programme Cambridge International
Loi de Hooke : $\Delta F = k\,\Delta x$ tant que le matériau se comporte proportionnellement ; $k$ est la raideur (constante de raideur), soit la pente du graphique force–allongement.
contrainte$\sigma = \dfrac{F}{A}$ (unité Pa), déformation$\varepsilon = \dfrac{\Delta x}{x}$ (sans unité), module de Young$E = \dfrac{\sigma}{\varepsilon}$. La contrainte et la déformation décrivent le matériau ; la force et l'allongement décrivent l'éprouvette.
Sur un graphique force–allongement ou contrainte–déformation : la partie droite s'arrête au limite de proportionnalité ; au-delà de la limite élastique, l'éprouvette ne reprend plus sa longueur initiale (déformation élastique = elle revient ; déformation plastique = elle reste étirée) ; un matériau présentant un point d'écoulement distinct peut s'étirer considérablement avec peu d'augmentation de la force à ce point ; d'autres matériaux ductiles s'écoulent progressivement. Le point d'écoulement marque le début d'un écoulement plastique substantiel ; la contrainte de rupture est la contrainte au moment de la fracture.
énergie élastique de déformation : $\Delta E_{\text{el}} = \tfrac{1}{2}F\Delta x$ pour un ressort linéaire — l'aire sous le graphique force–allongement. Pour un graphique non linéaire, estimez l'aire par des carrés. L'aire sous un graphique de chargement contrainte–déformation correspond au travail effectué par unité de volume, car $\dfrac{F}{A} \times \dfrac{\Delta x}{x} = \dfrac{F\Delta x}{V}$. Dans la zone élastique, celle-ci est stockée de manière récupérable comme énergie élastique de déformation ; le travail au-delà de la limite élastique n'est pas entièrement récupérable.
Exemple résolu (juin 2025 Q17b). Une corde de violon de longueur originale $0.750\ \text{m}$ et de rayon $0.85 \times 10^{-3}\ \text{m}$ s'étire jusqu'à $0.752\ \text{m}$ sous une tension de $36\ \text{N}$. Calculez le module de Young.
Données connues : $F$, $x$, $\Delta x$, $r$. Pourquoi : $E = \sigma/\varepsilon$ nécessite la contrainte et la déformation ; la contrainte exige l'aire de la section transversale.
Vérification : le module d'un fil métallique est compris entre $10^{9}$ et $10^{12}\ \text{Pa}$ ; $6\ \text{GPa}$ se situe dans cette fourchette.
Expérience fondamentale 3 : module de Young d'un fil
Accrochez des masses connues à un long fil et mesurez l'allongement à l'aide d'un repère face à une règle ; conservez le fil long et les allongements faibles pour garantir la précision, ajoutez les charges par paliers dans la zone proportionnelle, et mesurez le diamètre à plusieurs endroits avec un micromètre. Ensuite, $E$ provient de la pente de la ligne contrainte–déformation, ou de $\sigma/\varepsilon$ calculée point par point dans la zone proportionnelle.
limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/
limite de proportionnalité
elastic limit/ɪˈlæstɪk ˈlɪmɪt/
limite élastique
elastic deformation/ɪˈlæstɪk ˌdiːfɔːˈmeɪʃn/
déformation élastique
plastic deformation/ˈplæstɪk ˌdiːfɔːˈmeɪʃn/
déformation plastique
yield point/jiːld pɔɪnt/
point d'écoulement
breaking stress/ˈbreɪkɪŋ stres/
contrainte de rupture
elastic strain energy/ɪˈlæstɪk streɪn ˈenədʒi/
énergie de déformation élastique
per unit volume/pɜː ˈjuːnɪt ˈvɒljuːm/
par unité de volume
micrometer/maɪˈkrɒmɪtə/
micromètre
1.8
Astuces d'examen pour WPH11
Montrer chaque étape. « Utilisation de $F = ma$ » rapporte une marque avant l'apparition d'un nombre — écrire l'équation en symboles, puis substituer.
Unités et $g$. Une unité manquante entraîne généralement la perte de la dernière marque ; $g = 10\ \text{m s}^{-2}$ peut faire perdre des points de précision ; les questions « démontrer que » nécessitent un chiffre significatif de plus que la valeur cible.
Mots-clés :énoncer = une réponse courte et précise ; calculer/déterminer = des nombres avec le calcul détaillé et une unité ; déduire = le calcul suivi d'une conclusion comparée ; expliquer = des raisons physiques liées ; décrire = ce qui se produit, dans l'ordre.
La réponse astérisque (*) est notée pour le raisonnement logique lié ainsi que pour le contenu : ordonner les points, puis les relier.
La liste des formules se trouve à la fin — savoir où elle est pour ne jamais mémoriser ce qu'on peut consulter en deux secondes.
1.8
Vérifiez-vous
Sur un graphique vitesse–temps, que donnent la pente et l'aire ? — l'accélération ; le déplacement.
Quelle équation suvat permet de trouver une hauteur à partir de deux vitesses sans temps ? — $v^2 = u^2 + 2as$.
L'accélération horizontale d'un projectile en vol libre ? — zéro (seule la gravité agit, verticalement).
Un livre repose sur une table : son poids et la force normale de la table forment-ils une paire action-réaction de Newton ? — Non : elles agissent sur le même corps.
Deux chariots entrent en collision et restent collés. Quelle grandeur est toujours conservée ? — la quantité de mouvement totale (l'énergie cinétique n'est pas nécessairement conservée).
Une force appliquée à un angle par rapport à un levier : quelle distance entre dans le moment ? — la distance perpendiculaire du point d'appui à la ligne d'action.
Une voiture freine en montée : quelle est l'énergie d'entrée pour le rendement ? — l'énergie cinétique perdue moins l'énergie potentielle gravitationnelle gagnée.
La poussée d'Archimède est égale au poids de quoi ? — du fluide déplacé.
La loi de Stokes nécessite quelles trois conditions ? — petite sphère, faible vitesse, écoulement laminaire (et $\eta$ dépend de la température).
Sur un graphique contrainte–déformation, que représente la pente de la partie droite et l'aire sous celle-ci ? — le module de Young ; l'énergie de déformation élastique par unité de volume.
2.1Grandeurs ondulatoires et graphiques (énoncés 33–37)
Physique Pearson Edexcel IAL, WPH12/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.20–23 (PDF pp.24–27).
Transcription fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; texte mathématique normalisé depuis la couche de texte PDF. Il s'agit de la portée du programme, pas d'un manuel étudiant.
Comprendre l'amplitude, la fréquence, la période, la vitesse et la longueur d'onde.
Utiliser l'équation d'onde v = fλ.
Décrire les ondes longitudinales en termes de variation de pression et de déplacement des molécules.
Décrire les ondes transversales.
Tracer et interpréter des graphiques représentant les ondes transversales et longitudinales, y compris les ondes stationnaires/stationaires.
Source : Programme Cambridge International
2.2Superposition et ondes stationnaires (énoncés 38–43, pratiques fondamentales 4–5)
Physique Pearson Edexcel IAL, WPH12/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.20–23 (PDF pp.24–27).
Transcription fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; texte mathématique normalisé depuis la couche de texte PDF. Il s'agit de la portée du programme, pas d'un manuel étudiant.
EXPÉRIENCE CENTRALE 4 : Déterminer la vitesse du son dans l'air à l'aide d'un oscilloscope à 2 faisceaux, d'un générateur de signaux, d'un haut-parleur et d'un microphone.
Comprendre le front d'onde, la cohérence, la différence de marche, la superposition, l'interférence et la phase.
Utiliser la relation entre la différence de phase et la différence de marche.
Comprendre une onde stationnaire/stationaire et sa formation ; identifier les nœuds et les ventres.
Utiliser la vitesse d'une onde transversale sur une corde : v = √(T/μ).
EXPÉRIENCE CENTRALE 5 : Étudier les effets de la longueur, de la tension et de la masse linéique sur la fréquence d'une corde ou d'un fil vibrant.
Source : Programme Cambridge International
2.3Intensité, réfraction et polarisation (énoncés 44–49)
Physique Pearson Edexcel IAL, WPH12/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.20–23 (PDF pp.24–27).
Transcription fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; texte mathématique normalisé depuis la couche de texte PDF. Il s'agit de la portée du programme, pas d'un manuel étudiant.
Utiliser l'intensité du rayonnement I = P/A.
Comprendre n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ à une interface, avec l'indice de réfraction n = c/v.
Calculer l'angle limite en utilisant sin C = 1/n.
Prédire si une réflexion totale interne se produit à une interface.
Comprendre comment mesurer l'indice de réfraction d'un matériau solide.
Comprendre la polarisation plane.
Source : Programme Cambridge International
2.4Diffraction et pulse-écho (énoncés 50–56, pratique fondamentale 6)
Physique Pearson Edexcel IAL, WPH12/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.20–23 (PDF pp.24–27).
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Comprendre la diffraction et utiliser la construction de Huygens pour expliquer les ondes rencontrant une fente ou un obstacle.
Utiliser nλ = d sin θ pour un réseau de diffraction.
EXPÉRIENCE CENTRALE 6 : Déterminer la longueur d'onde d'une lumière laser ou d'une autre source lumineuse à l'aide d'un réseau de diffraction.
Expliquer comment les expériences de diffraction fournissent des preuves de la nature ondulatoire des électrons.
Utiliser l'équation de de Broglie λ = h/p.
Comprendre la transmission et la réflexion à une interface entre deux milieux.
Comprendre comment la localisation par écho-sonde permet de repérer un objet, ainsi que les limites imposées par la longueur d'onde du rayonnement ou la durée de l'impulsion.
Source : Programme Cambridge International
2.5Photons, effet photoélectrique et spectres (énoncés 57–63)
Physique Pearson Edexcel IAL, WPH12/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.20–23 (PDF pp.24–27).
Transcription fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; texte mathématique normalisé depuis la couche de texte PDF. Il s'agit de la portée du programme, pas d'un manuel étudiant.
Comprendre le rayonnement électromagnétique dans les modèles ondulatoire et photonique, et l'évolution historique de ces modèles.
Utiliser E = hf pour relier l'énergie d'un photon et la fréquence de l'onde.
Comprendre l'absorption de photons provoquant l'émission de photoélectrons.
Comprendre la fréquence seuil et la fonction de travail ; utiliser hf = φ + ½mv²max.
Utiliser l'électron-volt (eV) pour les petites énergies.
Expliquer les preuves de l'effet photoélectrique concernant la nature corpusculaire du rayonnement électromagnétique.
Expliquer les spectres linéaires atomiques par des transitions discrètes entre niveaux d'énergie ; calculer les fréquences émises ou absorbées.
Source : Programme Cambridge International
2.6Courant, résistance et circuits (énoncés 64–73, pratique fondamentale 7)
Physique Pearson Edexcel IAL, WPH12/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.20–23 (PDF pp.24–27).
Transcription fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; texte mathématique normalisé depuis la couche de texte PDF. Il s'agit de la portée du programme, pas d'un manuel étudiant.
Comprendre le courant électrique comme débit de flux de particules chargées ; utiliser I = ΔQ/Δt.
Utiliser V = W/Q.
Comprendre que R = V/I définit la résistance ; la loi d'Ohm I ∝ V est un cas particulier à température constante.
Expliquer la répartition du courant par conservation de charge et la répartition de la tension par conservation d'énergie.
Dériver et appliquer les formules des résistances en série et en parallèle à partir de la conservation de charge et d'énergie.
Utiliser P = VI et W = VIt ; dériver et appliquer P = I²R et P = V²/R.
Tracer, reconnaître et interpréter les graphes courant-tension pour les conducteurs ohmiques, les ampoules à incandescence, les thermistances et les diodes.
Utiliser R = ρl/A.
PRATIQUE FONDAMENTALE 7 : Déterminer la résistivité électrique d'un matériau.
Utiliser I = nqvA pour expliquer l' large gamme de résistivités des différents matériaux.
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2.7Diviseurs de tension, capteurs et f.e.m. (énoncés 74–80, pratique fondamentale 8)
Physique Pearson Edexcel IAL, WPH12/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.20–23 (PDF pp.24–27).
Transcription fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; texte mathématique normalisé depuis la couche de texte PDF. Il s'agit de la portée du programme, pas d'un manuel étudiant.
Comprendre la variation de potentiel en fonction de la distance le long d'un fil parcouru par un courant uniforme.
Comprendre les principes du diviseur de tension ; calculer les différences de potentiel et les résistances.
Analyser les diviseurs de tension à résistance variable, y compris les thermistances et les LDR.
Définir la f.e.m. et la résistance interne ; distinguer la f.e.m. de la différence de potentiel aux bornes.
PRATIQUE FONDAMENTALE 8 : Déterminer la f.e.m. et la résistance interne d'une pile électrique.
Modéliser la dépendance de la résistance à la température par les vibrations du réseau et le nombre d'électrons de conduction ; appliquer aux métaux et aux thermistances à coefficient de température négatif.
Modéliser la dépendance de la résistance à l'éclairage par le nombre d'électrons de conduction ; appliquer aux LDR.
Source : Programme Cambridge International
Fiche de cours
Du signal téléphonique à sa batterie
Votre téléphone reçoit des ondes et utilise de l'énergie électrique. Elles semblent différentes, mais toutes deux dépendent du transfert d'énergie. Les ondes transportent l'énergie sans transporter la matière avec elles. Un circuit transfère l'énergie grâce au mouvement des charges.
Cette référence couvre WPH12 Ondes et Électricité, énoncés du programme 33–80. La durée de l'épreuve est de 90 minutes et elle rapporte 80 points. Utiliser la liste des formules pour étayer votre raisonnement. Expliquer pourquoi une équation s'applique à la situation, montrer les conversions, et terminer les comparaisons par une conclusion.
Grandeurs ondulatoires et graphiques
Une source vibrante répète son mouvement. L'amplitude est le plus grand déplacement par rapport à l'équilibre. L'équilibre signifie la position de repos. La période$T$ est le temps nécessaire à une vibration complète. La fréquence$f$ est le nombre de vibrations complètes par seconde ; son unité est le hertz, Hz.
$$f = \frac{1}{T} \qquad v = f\lambda$$
La longueur d'onde$\lambda$ est la distance entre deux points voisins vibrants en phase. La vitesse de propagation$v$ est la vitesse à laquelle se déplace une phase fixe, telle qu'un sommet. Ce n'est pas la vitesse d'une particule vibrante.
Une onde transversale présente des vibrations perpendiculaires à sa direction de propagation. Une corde bouge verticalement alors que sa perturbation se propage horizontalement le long de celle-ci.
Une onde longitudinale présente des vibrations parallèles à sa direction de propagation. Le son comporte des compressions, où la pression et la densité sont plus élevées, et des rarefactions, où elles sont plus faibles.
Les molécules d'air oscillent autour de leurs positions d'équilibre. Elles ne se déplacent pas du haut-parleur vers votre oreille avec le son.
Les graphiques de distance montrent une onde entière à un instant donné.
Lire l'axe horizontal en premier
Un graphique de déplacement par rapport à la distance est une instantanée. L'écart entre deux sommets voisins donne $\lambda$. Un graphique de déplacement par rapport au temps suit une seule particule. L'écart entre deux sommets consécutifs donne $T$. La même forme de courbe peut représenter les deux types de graphiques, mais les grandeurs sont différentes.
Pour une onde longitudinale, un graphique de pression par rapport à la distance montre des compressions aux maxima de pression. Un graphique de déplacement moléculaire par rapport à la distance indique le déplacement selon la direction de propagation. La compression maximale survient là où le changement de déplacement est le plus rapide vers les molécules voisines. Le maximum de pression et le maximum de déplacement ne coïncident pas ; leurs motifs sont espacés d'un quart de longueur d'onde dans une onde sonore sinusoïdale voyageuse.
Exemple résolu. Un microphone enregistre 12 cycles complets en $0.030\ \text{s}$. Le son se propage à $340\ \text{m s}^{-1}$. Trouvez sa fréquence et sa longueur d'onde.
Données : nombre de cycles, durée totale et vitesse. La fréquence compte les cycles par seconde ; l'équation des ondes relie ensuite la vitesse à la longueur d'onde.
Vérification : un cycle dure $T=1/f=0.0025\ \text{s}$. Douze cycles durent donc la durée indiquée de $0.030\ \text{s}$.
Superposition et ondes stationnaires
Une front d'onde joint des points en même phase. La phase décrit l'étape d'un cycle de vibration. Un cycle complet correspond à $360^\circ$ ou $2\pi$ radians.
La superposition consiste à additionner les déplacements des ondes qui se chevauchent à chaque point. L'interférence est la renforcement ou l'annulation résultante. Des sources cohérentes ont la même fréquence et une différence de phase constante. Cette différence de phase n'a pas besoin d'être nulle.
Pour des ondes de même longueur d'onde, la différence de phase causée par une différence de marche$\Delta x$ est :
Pour des sources initialement en phase, des différences de marche de $0,\lambda,2\lambda,\ldots$ produisent une interférence constructive. Des différences de demi-longueurs d'onde entières produisent une interférence destructive. Une annulation complète nécessite également des amplitudes égales. Si les sources partent avec une différence de phase, incluez-la aussi.
Exemple résolu. Deux haut-parleurs en phase émettent une longueur d'onde $0.80\ \text{m}$. Leurs chemins vers un microphone diffèrent de $1.20\ \text{m}$.
Données : différence de marche et longueur d'onde. Convertir la différence de marche en cycles, puis en phase.
$540^\circ$ est équivalent à $180^\circ$. Les ondes arrivent en opposition de phase et s'interfèrent destructivement. Le son ne devient pas nécessairement silencieux si les amplitudes arrivantes diffèrent.
Formation d'une onde stationnaire
Une onde stationnaire se forme lorsque deux ondes de même fréquence et d'amplitude similaire se propagent en sens opposés et se superposent. La réflexion à l'extrémité fixe d'une corde fournit l'onde retour.
Un nœud a toujours un déplacement nul. Un ventre présente la plus grande amplitude de vibration.
Les nœuds adjacents sont séparés de $\lambda/2$. Un nœud et son ventre le plus proche sont séparés de $\lambda/4$.
Les points situés entre la même paire de nœuds vibrent en phase. Les points dans des sections voisines vibrent en opposition de phase.
Tous les points ont la même fréquence, sauf que le nœud ne vibre pas. L'amplitude dépend de la position.
Une onde stationnaire idéale ne présente aucun transfert net d'énergie le long de sa propagation. Une onde voyageuse transporte de l'énergie dans le sens de sa propagation.
Les nœuds aux extrémités restent immobiles ; la courbe change entre les formes pleine et pointillée.
Pour une corde fixée aux deux extrémités, la longueur $L$ contient un nombre entier $k$ de demi-longueurs d'onde :
$$L = \frac{k\lambda}{2} \qquad v = \sqrt{\frac{T}{\mu}} \qquad f = \frac{k}{2L}\sqrt{\frac{T}{\mu}}$$
Ici $T$ désigne la tension, et non la période ; $\mu$ est la masse linéique en $\text{kg m}^{-1}$. Le fondamental correspond à $k=1$. Pour un mode fixe, la fréquence augmente avec $\sqrt{T}$, diminue avec $L$, et diminue avec $\sqrt{\mu}$.
Exemple résolu. Une corde de $0.60\ \text{m}$ a une masse linéique de $\mu=1.5\times10^{-3}\ \text{kg m}^{-1}$ et une tension de $24\ \text{N}$. Trouver sa fréquence fondamentale.
Données connues : longueur, tension et densité linéique. Le fondamental s'adapte sur une demi-longueur d'onde entre les extrémités fixes.
Doubler la tension multiplie la fréquence par $\sqrt{2}$, et non par deux.
Onde sonore stationnaire dans un tube fermé
Dans l'onde sonore stationnaire la plus simple dans un tube fermé à une extrémité, l'extrémité fermée est un nœud de déplacement moléculaire. L'extrémité ouverte est approximativement un ventre de déplacement. Cela s'adapte sur un quart de longueur d'onde dans la longueur effective du tube, donc $L_{effective}=\lambda/4$. Le motif de pression est inversé : l'extrémité fermée est un ventre de pression. Ne confondez pas un nœud de pression avec un nœud de déplacement. Les tubes réels possèdent une correction mineure à l'extrémité ouverte ; utilisez une longueur effective si la question la fournit.
Exemple résolu. Un tube fermé a une longueur effective de $0.20\ \text{m}$ et une fréquence fondamentale de $425\ \text{Hz}$. Les conditions aux limites donnent $\lambda=4L=0.80\ \text{m}$ ; ensuite $v=f\lambda=425\times0.80=340\ \text{m s}^{-1}$. Une corde fixée aux deux extrémités, elle, s'adapte sur une demi-longueur d'onde dans son fondamental. Choisissez selon les conditions aux limites, et non selon le mot « stationnaire ».
Expérience clé 4 : vitesse du son
Utilisez un générateur de signaux, un haut-parleur, un microphone mobile et un oscilloscope à deux traces. Connectez un canal de l'oscilloscope au signal de référence du générateur et l'autre à la sortie du microphone. Les deux traces ont la même fréquence.
Gardez la fréquence constante. Déplacez le microphone le long d'une ligne mesurée, à l'écart du haut-parleur. Trouvez une position où les traces sont en phase.
Déplacez-vous à une autre position en phase. Les positions en phase consécutives sont espacées d'une longueur d'onde. Mesurez sur plusieurs longueurs d'onde et divisez par leur nombre.
Lisez la période sur l'échelle de base temporelle : comptez les divisions horizontales sur plusieurs cycles, puis divisez. Trouvez $f=1/T$ et utilisez $v=f\lambda$.
Répétez les positions et les fréquences. Maintenez le microphone sur l'axe du haut-parleur. Réduisez le son réfléchi en travaillant loin des murs. Mesurez la position par rapport à un point de référence fixe du microphone.
La mesure de plusieurs longueurs d'onde réduit l'incertitude relative de la distance. La mesure de plusieurs périodes a le même effet pour le temps. Une expérience au tube de résonance peut aussi mesurer la vitesse du son, mais elle ne remplace pas cette pratique spécifiée.
Pratique fondamentale 5 : corde vibrante
Utilisez un générateur de vibrations commandé par un générateur de signaux. Faites passer la corde sur une poulie vers une masse suspendue. La tension est d'environ $mg$ lorsque le frottement de la poulie est faible. Augmentez la fréquence jusqu'à ce qu'un motif d'onde stationnaire net se forme.
Étude de la tension : maintenez $L$, $\mu$ et le mode fixes. Variez la masse suspendue. Tracez $f^2$ en fonction de $T$ ; la pente pour le fondamental est $1/(4L^2\mu)$.
Étude de la longueur : maintenez la tension, le type de corde et le mode fixes. Tracez $f$ en fonction de $1/L$.
Étude de la densité linéique : mesurez la masse et la longueur de la corde, $\mu=m/l$. Utilisez différentes cordes avec tension, longueur vibrante et mode fixes. Tracez $f^2$ en fonction de $1/\mu$.
Mesurez la longueur entre les nœuds extrêmes. Trouvez la résonance depuis des fréquences plus élevées et plus basses, puis répétez. Fixez solidement le support et éloignez-vous des masses qui pourraient tomber.
Intensité, réfraction et polarisation
Intensité : puissance par unité de surface perpendiculaire au flux d'énergie :
$$I = \frac{P}{A}$$
Son unité est $\text{W m}^{-2}$. Pour un récepteur, la puissance incidente est $P=IA$. La sortie utile est inférieure si l'efficacité est inférieure à 100 %. Convertissez soigneusement l'aire : $1\ \text{cm}^2=10^{-4}\ \text{m}^2$.
Exemple résolu. L'intensité du rayonnement est $800\ \text{W m}^{-2}$ sur une cellule solaire de $25\ \text{cm}^2$. L'efficacité est de 20 %. Peut-elle alimenter $0.50\ \text{W}$ ?
Données connues : intensité, aire, efficacité. Calculez d'abord la puissance incidente, puis la puissance utile.
$0.40\ \text{W}<0.50\ \text{W}$, donc elle ne peut pas fournir la puissance utile requise.
Réfraction et réflexion totale interne
Réfraction : changement de direction d'une onde lors d'un changement de vitesse à une interface. Un rayon entrant selon la normale change de vitesse sans changer de direction. La normale est perpendiculaire à la frontière. Mesurez tous les angles des rayons par rapport à elle.
L'indice de réfraction$n$ compare la vitesse de la lumière dans le vide $c$ à sa vitesse dans le matériau. La fréquence reste constante à travers l'interface, donc la longueur d'onde change avec la vitesse. Entrer dans un $n$ plus élevé courbe le rayon vers la normale ; entrer dans un $n$ plus faible le courbe vers l'écart.
Le rayon s'éloigne de la normale lorsqu'il pénètre dans un milieu d'indice inférieur.
La réflexion totale interne nécessite une propagation du milieu à indice plus élevé vers celui à indice plus faible et une incidence supérieure à l'angle critique$C$.
$$\sin C = \frac{n_2}{n_1} \qquad \text{for material to air: }\sin C = \frac{1}{n}$$
À $C$, l'angle de réfraction est $90^\circ$ ; on qualifie d'incidence supérieure à $C$ la réflexion totale interne. En dessous de $C$, une partie de l'énergie est normalement réfléchie et une autre transmise. Une fibre optique possède un cœur à indice élevé et une gaine à indice faible. Augmenter l'indice de la gaine augmente l'angle critique et peut empêcher un rayon précédemment réfléchi d'être confiné.
Exemple résolu. La lumière voyage du verre d'indice 1.50 vers l'air. Un angle d'incidence de $45^\circ$ provoque-t-il une réflexion totale interne ?
Données : les deux indices et l'angle d'incidence. Trouver l'angle limite avant comparaison.
La lumière se propage vers un indice plus faible et l'incidence est $45^\circ>41.8^\circ$. Les deux conditions sont réunies, donc la réflexion totale interne se produit.
Mesure de l'indice de réfraction
Placer un bloc transparent rectangulaire sur du papier et tracer son contour. Utiliser un faisceau étroit provenant d'une boîte à rayons. Marquer deux points sur le rayon incident et deux sur le rayon émergent. Retirer le bloc et relier les points de contact pour reconstruire le trajet du rayon à l'intérieur. Tracer la normale à l'entrée et mesurer l'angle d'incidence $i$ et l'angle de réfraction $r$ avec un rapporteur.
Répéter pour plusieurs angles d'incidence, en conservant le même matériau et la même couleur de lumière. Tracer $\sin i$ verticalement par rapport à $\sin r$ horizontalement. Pour une incidence venant de l'air vers le bloc, la pente correspond à l'indice de réfraction du bloc relatif à l'air. Utiliser un grand triangle sur une droite de tendance. Des faisceaux étroits et des points de rayon largement espacés réduisent l'incertitude directionnelle. De très petits angles entraînent de grandes incertitudes relatives.
Polarisation plane
La polarisation plane restreint les vibrations transversales à un seul plan contenant la direction de propagation. La lumière non polarisée présente des vibrations dans de multiples plans. Un polariseur transmet une seule direction de vibration. En faisant tourner un second polariseur, des directions de transmission parallèles donnent une luminosité maximale ; des directions perpendiculaires produisent idéalement l'obscurité. Le rayon continue de se propager vers l'avant ; seule sa direction de vibration subit une sélection.
Les ondes longitudinales ne peuvent pas être polarisées car leur vibration est déjà alignée sur la direction de propagation. La polarisation constitue donc une preuve que la lumière est transversale.
Diffraction et pulse-écho
La diffraction est l'étalement des ondes au niveau d'une fente ou d'un bord. L'étalement est plus important lorsque la largeur de la fente est comparable à la longueur d'onde. Une large fente diffuse également aux bords, mais l'onde centrale s'étale moins.
Dans la construction de Huygens, chaque point d'une front d'onde agit comme source d'ondes secondaires. Dessiner ces ondes secondaires de même rayon après un même intervalle de temps. Leur tangente commune vers l'avant définit la nouvelle front d'onde. Au niveau d'une fente étroite, seule une petite partie de la front originale fournit des ondes secondaires, ce qui fait que les fronts émergents s'étalent largement. Cela explique l'étalement sans postuler un changement de fréquence à la fente.
La fente limite les points fournissant les ondes secondaires sortantes.
Réseaux et pratique fondamentale 6
Un réseau de diffraction contient de nombreuses fentes équidistantes. Des maxima brillants apparaissent lorsque les contributions provenant de fentes voisines arrivent en phase :
$$k\lambda = d\sin\theta$$
Ici $k$ désigne l'ordre entier, $d$ l'espacement entre fentes, et $\theta$ est mesuré par rapport à la direction de transmission directe. L'équation suppose une incidence normale. Si le réseau comporte $N$ traits par mètre, alors $d=1/N$. Ne pas confondre l'ordre du réseau avec l'indice de réfraction ; certains documents imprimés utilisent $n$ pour l'un ou l'autre.
Exemple résolu. Un réseau possède 600 traits par millimètre. La lumière du premier ordre apparaît à $18.0^\circ$. Trouver sa longueur d'onde.
Données : densité de traits et angle du premier ordre. Convertir la densité de traits avant de prendre son inverse.
Il s'agit de $515\ \text{nm}$. Vérifier chaque ordre supérieur proposé en utilisant $k\lambda/d\leq1$.
Pour CP6, diriger un laser de faible puissance normalement sur un réseau et placer un écran perpendiculaire au faisceau central. Mesurer la distance écran $D$ et le déplacement $x$ depuis la tache centrale vers un ordre. Utiliser $\tan\theta=x/D$, puis l'équation du réseau. Moyenniser les déplacements gauche/droite correspondants, répéter les mesures de distance, et utiliser les ordres visibles supérieurs lorsque la mesure est claire. Mesurer du réseau à l'écran, pas du boîtier du laser. Ne pas substituer $\sin\theta=x/D$ sauf si une approximation des petits angles justifiée est acceptable. Ne jamais regarder directement dans le faisceau ; maintenir celui-ci en dessous du niveau des yeux et stopper les faisceaux parasites.
Les électrons montrent également un comportement ondulatoire
Un faisceau d'électrons traversant un cristal mince produit un motif de diffraction. L'espacement régulier des atomes fournit la structure diffractante. Changer la quantité de mouvement des électrons modifie l'espacement du motif. C'est une preuve du comportement ondulatoire ; des particules se déplaçant uniquement selon des trajectoires rectilignes droites ne peuvent expliquer les maxima de diffraction.
La longueur d'onde de de Broglie est :
$$\lambda = \frac{h}{p}$$
Pour un électron non relativiste, $p=mv$. S'il acquiert de l'énergie cinétique en franchissant une différence de potentiel, $E_k=eV$ et $p=\sqrt{2mE_k}$. N'utiliser ces liens que lorsque la question donne ou exige cette relation énergétique.
Exemple résolu. Un électron a une quantité de mouvement $2.0\times10^{-24}\ \text{kg m s}^{-1}$. Avec $h=6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$ :
L'augmentation de la quantité de mouvement réduit la longueur d'onde. Les électrons possèdent à la fois des propriétés corpusculaires et ondulatoires ; la diffraction ne signifie pas qu'un électron devient une onde sonore.
Réflexion, transmission et échos
À une interface, une partie de l'énergie d'une onde peut être transmise et une autre réfléchie. Une impulsion réfléchie peut localiser une limite. Dans l'écho-impulsion, le délai mesuré inclut les trajets aller et retour :
$$2s = vt \quad\Rightarrow\quad s = \frac{vt}{2}$$
Exemple résolu. Les ultrasons se propagent dans le métal à $5900\ \text{m s}^{-1}$. Un écho revient après $12\ \mu\text{s}$.
La limite est à $35\ \text{mm}$, pas à $71\ \text{mm}$. Un écho proche peut chevaucher l'impulsion transmise. Une durée d'impulsion plus courte réduit cette zone aveugle et sépare les échos proches. Une longueur d'onde plus courte aide à détecter ou distinguer des détails plus petits. Ce sont des limites liées, mais la durée d'impulsion et la longueur d'onde ne sont pas la même grandeur. Utiliser la vitesse dans le matériau réel, et non automatiquement la vitesse dans l'air.
Photons et effet photoélectrique
Les concepts ondulatoires expliquent l'interférence, la diffraction et la polarisation. Ils n'ont pas expliqué toutes les observations du transfert d'énergie. Les photons décrivent des paquets discrets d'énergie électromagnétique :
$$E = hf = \frac{hc}{\lambda}$$
Historiquement, l'interférence et la diffraction ont soutenu les modèles ondulatoires de la lumière. Les idées quantiques se sont développées pour expliquer des observations incluant l'effet photoélectrique et les spectres atomiques. La physique moderne utilise à la fois les descriptions ondulatoires et photoniques selon la mesure. Un nouveau modèle réussi doit expliquer les preuves que le modèle plus ancien explique aussi.
Un photon et un électron
Dans l'effet photoélectrique, un électron de surface absorbe un photon et peut s'échapper. Le travail d'extraction$\phi$ est l'énergie minimale nécessaire pour extraire un électron de la surface. La fréquence seuil est $f_0=\phi/h$.
En dessous du seuil, augmenter l'intensité ne provoque pas d'émission dans le modèle usuel à un seul photon.
Au-dessus du seuil, une fréquence plus élevée augmente l'énergie cinétique maximale. Un graphique de $E_{k,\max}$ contre $f$ présente une pente $h$, une intersection avec l'axe des fréquences $f_0$ et une intersection extrapolée avec l'axe des énergies $-\phi$.
À fréquence fixe au-dessus du seuil, une intensité plus élevée fournit davantage de photons par seconde. Plus d'électrons peuvent être émis par seconde, donc le courant de saturation photoélectrique augmente. Leur énergie cinétique maximale ne s'accroît pas.
L'émission commence sans le délai de construction d'énergie prédit par un modèle simple à onde continue, même à faible intensité au-dessus du seuil.
Les électrons s'échappent avec une gamme d'énergies cinétiques. Certains perdent davantage d'énergie à l'intérieur du matériau. L'équation décrit l'énergie la plus grande, et non l'énergie de chaque électron.
Le volt-electron est une unité d'énergie : $1\ \text{eV}=1.60\times10^{-19}\ \text{J}$. Ce n'est pas une unité de différence de potentiel. Un potentiel d'arrêt $V_s$ empêche uniquement même les photoélectrons les plus rapides d'atteindre le collecteur, donc $eV_s=E_{k,\max}$.
Exemple résolu. De la lumière de fréquence $8.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ atteint une surface ayant un travail d'extraction $2.0\ \text{eV}$.
Données connues : fréquence des photons et travail d'extraction. Convertissez le travail d'extraction en joules avant de soustraire.
L'énergie cinétique positive confirme que cette fréquence est au-dessus du seuil. Une soustraction négative signifierait aucune émission, et non une énergie cinétique négative.
Spectres de raies atomiques
Les atomes possèdent des niveaux d'énergie discrets. Un électron descendant entre deux niveaux autorisés émet un photon. Monter nécessite l'absorption de l'énergie correspondante :
$$|\Delta E| = hf = \frac{hc}{\lambda}$$
Un spectre de raies a des fréquences particulières car seules certaines différences de niveau sont autorisées. La plus grande différence d'énergie descendante donne la fréquence la plus élevée et la longueur d'onde la plus courte. Comptez les transitions possibles en vérifiant les paires de niveaux et quels niveaux supérieurs sont peuplés ; ne comptez pas automatiquement le nombre de niveaux comme le nombre de raies.
L'énergie du photon est égale à la différence entre les deux niveaux.
Exemple résolu. Un électron passe de $-2.0\ \text{eV}$ à $-5.0\ \text{eV}$.
L'absorption de photons dans un matériau ne provoque pas toujours l'éjection d'un électron depuis sa surface. L'excitation suivie d'une émission, par exemple dans un matériau activé par la lumière, n'est pas automatiquement l'effet photoélectrique.
Courant, résistance et circuits
Courant est le taux d'écoulement de charge. Le courant conventionnel suit la direction dans laquelle se déplaceraient des charges positives. Dans un métal, les électrons dérivent dans la direction opposée.
$$I = \frac{\Delta Q}{\Delta t} \qquad V = \frac{W}{Q} \qquad R = \frac{V}{I}$$
Un ampère est un coulomb par seconde. Différence de potentiel$V$ est l'énergie transférée par unité de charge entre deux points. Résistance $R$ est définie par le rapport $V/I$ à un point de fonctionnement. Loi d'Ohm est la condition supplémentaire $I\propto V$ lorsque la température et autres conditions physiques restent constantes. Tous les résistances ou composants ne la respectent pas.
Exemple résolu. Un courant de $0.40\ \text{A}$ circule pendant $30\ \text{s}$. Trouvez le nombre d'électrons passant par un point.
$$Q = It = 0.40\ \text{A}\times30\ \text{s} = 12\ \text{C}$$
Conservation de la charge signifie qu'il n'y a pas d'accumulation de charge à une jonction en régime permanent. Le courant total entrant est égal au courant total sortant. Le courant n'est pas consommé par une résistance.
Conservation de l'énergie : la somme des augmentations de potentiel est égale à la somme des chutes de potentiel autour d'une boucle complète.
Pour les résistances en série, le même courant traverse chacune et leurs différences de potentiel s'additionnent :
Une association en parallèle a une résistance inférieure à celle de sa branche la plus faible. Un voltmètre se connecte en parallèle ; un voltmètre idéal a une résistance infinie. Un ampèremètre se connecte en série ; un ampèremètre idéal a une résistance nulle.
Exemple corrigé. Une résistance de $6.0\ \Omega$ est en parallèle avec une de $3.0\ \Omega$. L'ensemble est en série avec une résistance de $4.0\ \Omega$ branchée sur une source de $12\ \text{V}$.
Données : configuration du circuit. Réduire d'abord la section parallèle, puis appliquer la règle de série.
Vérification : la somme des courants de branche donne $2.0\ \text{A}$. La résistance restante en série présente une chute de $8.0\ \text{V}$.
Puissance et graphiques de composants
Puissance électrique : énergie transférée par seconde. En substituant $V=IR$ dans $P=VI$, on obtient les autres formes :
$$P = VI = I^2R = \frac{V^2}{R} \qquad W = Pt = VIt$$
Utiliser la tension aux bornes et le courant traversant le même composant. Les formes de la loi d'Ohm s'appliquent à sa résistance dynamique ; ne pas supposer qu'une lampe chauffante a une résistance constante.
Les axes et les conditions de température sont importants lors de l'interprétation de ces courbes schématiques.
Conducteur ohmique à température constante : droite passant par l'origine. Sur un graphique avec $I$ en ordonnée et $V$ en abscisse, sa pente est $1/R$.
Lampe à incandescence : lorsque la tension augmente, l'échauffement élève la résistance. La courbe $I$–$V$ devient moins pentue.
Thermistor NTC : l'échauffement diminue la résistance. Si le courant le chauffe suffisamment, la courbe devient plus pentue. À température fixe contrôlée, son comportement peut être approximativement ohmique sur une plage appropriée. Ne pas affirmer que chaque courbe de thermistor doit s'infléchir sous chaque condition de mesure.
Diode : très petit courant inverse avant la rupture ; courant direct croît rapidement après un genou caractéristique. Elle conduit principalement dans un seul sens. Une diode réelle n'a pas une résistance constante unique.
Pour une courbe incurvée, $R=V/I$ utilise une ligne reliant l'origine au point de fonctionnement. La pente de la tangente n'est généralement pas $1/R$.
Résistivité et pratique centrale 7
Résistivité$\rho$ : propriété d'un matériau à une température donnée :
$$R = \frac{\rho l}{A} \qquad A = \frac{\pi d^2}{4}$$
Allonger un fil uniforme augmente sa résistance. Augmenter la section transversale la diminue. Doubler le diamètre multiplie la surface par quatre et divise la résistance par quatre, si le matériau, la longueur et la température restent inchangés.
Pour CP7, brancher en série un fil uniforme, un ampèremètre, une alimentation électrique, un interrupteur et une résistance de limitation de courant. Brancher un voltmètre aux bornes de la longueur de fil mesurée. Mesurer plusieurs longueurs et déterminer $R=V/I$ pour chacune. Tracer $R$ en fonction de $l$ : la pente est $=\rho/A$, donc $\rho=A\times\text{gradient}$.
Mesurer le diamètre avec un micromètre à plusieurs positions et orientations ; vérifier son zéro. Mesurer la longueur entre les contacts électriques réels. Utiliser un faible courant et éteindre l'interrupteur entre les lectures pour limiter l'échauffement. Maintenir les contacts bien fixés. Une ordonnée à l'origine non nulle peut indiquer une résistance de contact ou des fils de liaison. Répéter les lectures réduit la dispersion mais ne supprime pas une erreur de zéro du diamètre. Comme la section dépend de $d^2$, une incertitude relative donnée sur le diamètre contribue environ au double de cette valeur à l'incertitude relative sur la section.
Exemple résolu. Un fil a un diamètre de $0.40\ \text{mm}$. Un graphique $R$–$l$ présente une pente de $3.5\ \Omega\,\text{m}^{-1}$.
La vitesse de dérive$v$ est la faible vitesse moyenne orientée des porteurs de charge, et non leur vitesse thermique aléatoire :
$$I = nqvA$$
Ici $n$ est le nombre de porteurs mobiles par unité de volume, $q$ est la grandeur de charge par porteur, et $A$ est la section transversale. Une densité de porteurs plus élevée permet d'obtenir le même courant avec une vitesse de dérive plus faible. Dans des fils en série, le courant est identique ; modifier $n$ ou $A$ modifie $v$.
Les matériaux ont différentes résistivités en raison de leurs densités de porteurs et de la facilité variable du mouvement des porteurs. Une diffusion accrue réduit la vitesse de dérive pour un même gradient de potentiel appliqué. La seule densité de porteurs ne suffit pas à expliquer toutes les différences entre matériaux.
Diviseurs de tension, capteurs et piles
Le long d'un fil uniforme parcouru par un courant stationnaire à température constante, la résistance croît proportionnellement à la distance. La chute de potentiel croît donc également proportionnellement à la distance. Un graphique potentiel–distance est linéaire. Cela suppose un matériau et une section uniformes ; un fil conique ou inégalement chauffé ne produit pas nécessairement une ligne droite.
Un diviseur de tension utilise des résistances en série pour répartir la tension d'alimentation :
L'expression suppose que la sortie est en circuit ouvert, ou que la charge connectée tire un courant négligeable. Si une charge tire un courant significatif, la combiner d'abord en parallèle avec la résistance de sortie. Identifier toujours quelle résistance est traversée par le voltmètre.
Inverser le capteur et la résistance fixe inverse la direction du changement de sortie.
Exemple résolu. Une alimentation de $6.0\ \text{V}$ alimente une résistance fixe de $2.0\ \text{k}\Omega$ placée au-dessus d'une LDR. Trouver la tension de sortie aux bornes de la LDR lorsque sa résistance varie de $4.0$ à $1.0\ \text{k}\Omega$.
La tension de sortie aux bornes de cette LDR diminue lorsque l'éclairage augmente. La tension de sortie aux bornes de la résistance fixe augmente. Expliquer la tension nommée, et non simplement dire « la tension change ».
Expliquer les capteurs à partir des porteurs
Dans un métal, le chauffage accroît les vibrations du réseau cristallin. Les électrons de conduction subissent plus souvent des collisions. Le nombre d'électrons mobiles reste approximativement constant, mais la vitesse de dérive à un gradient de potentiel donné diminue, ce qui fait augmenter la résistance.
Dans une thermistance à coefficient de température négatif, le chauffage libère davantage de porteurs mobiles. L'augmentation de la densité de porteurs domine, donc la résistance diminue. Éviter de dire que le chauffage réduit les vibrations du réseau.
Dans une résistance sensible à la lumière (LDR), la lumière absorbée libère des porteurs mobiles supplémentaires. L'augmentation de l'éclairage élève la densité de porteurs et abaisse la résistance. Il n'est pas nécessaire qu'elle fonctionne par émission d'électrons depuis sa surface.
Pour des explications liées, donner la chaîne complète : changement environnemental → modification des porteurs/diffusion → changement de résistance → changement de fraction du diviseur → changement de tension nommée. Garder l'agencement du circuit en vue tout au long.
F.e.m., résistance interne et pratique centrale 8
La force électromotrice$\mathcal{E}$ est l'énergie fournie par la source par unité de charge. Elle s'exprime en volts, malgré son nom. La résistance interne$r$ provoque un transfert d'énergie au sein de la source lorsque le courant circule. La tension aux bornes est l'énergie par coulomb disponible pour le circuit externe :
$$\mathcal{E} = V+Ir \qquad V = \mathcal{E}-Ir \qquad I = \frac{\mathcal{E}}{R+r}$$
La source fournit une puissance $\mathcal{E}I$, le circuit externe reçoit $VI$, et les échauffements internes correspondent à $I^2r$. Ces quantités s'additionnent cohérentement. En régime quasi-ouvert (courant négligeable), la tension aux bornes tend vers la f.e.m.
Pour la PC8, branchez une pile, un ampèremètre, une charge variable et un interrupteur en série. Connectez un voltmètre haute résistance aux bornes de la pile. Variez la résistance externe et enregistrez des paires de $V$ et $I$. Tracez $V$ verticalement contre $I$ horizontalement. La droite de tendance a une ordonnée à l'origine $\mathcal{E}$ et une pente $-r$. Prenez la valeur absolue de la pente pour obtenir $r$.
Utilisez plusieurs réglages et répétez les mesures. Ouvrez l'interrupteur entre chaque relevée, évitez les très faibles résistances externes et maintenez la température et l'état de charge de la pile aussi stables que possible. Ne jamais court-circuiter la pile. Une courbe peut indiquer une variation de la résistance interne ou de la f.e.m. ; ne pas forcer un seul paramètre fixe $r$ sans discuter de cette limite.
Exemple résolu. Le graphique de la pile passe par les points $(0.20\ \text{A},1.40\ \text{V})$ et $(0.60\ \text{A},1.20\ \text{V})$.
Données : deux points sur la droite de tendance. La pente de $V=\mathcal{E}-Ir$ est $-r$.
Vérification avec le second point : confirmation de $1.20+0.60\times0.50=1.50\ \text{V}$. La tension aux bornes diminue lorsque le courant augmente.
Vérifiez-vous
Utilisez la fiche d'exercices associée après chaque section : 2.1 graphiques d'ondes ; 2.2 ondes stationnaires ; 2.3 réfraction ; 2.4 diffraction ; 2.5 photons ; 2.6 circuits ; 2.7 diviseurs et piles.
Avant d'utiliser un ensemble d'anciens sujets, vérifiez que vous savez :
lire un axe et identifier s'il représente une longueur d'onde, une période, une pression ou un déplacement ;
expliquer une manipulation avec le matériel, les mesures, les variables contrôlées, le graphique et les précautions ;
distinguer la phase de l'amplitude, et la fréquence du photon du taux d'arrivée des photons ;
déduire des combinaisons de circuits à partir des lois de conservation de la charge et de l'énergie ;
expliquer un circuit capteur comme une chaîne causale connectée ;
utiliser une comparaison concrète pour terminer « déduire si », avec des unités et une conclusion claire.
Les épreuves de janvier et de juin 2025 fournissent des exemples authentiques, mais ne couvrent pas toutes les exigences. L'entraînement original comble les lacunes pédagogiques. Réussir un sujet échantillonné seul ne prouve pas une maîtrise complète du programme.
Pearson Edexcel IAL Physics Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.24–26 et Annexe 10 pp.75–77. Il s'agit de subdivisions pédagogiques locales, pas de déclarations officielles numérotées du programme.
Planifier une expérience : sélectionner le matériel et la plage/résolution d'instrument appropriée ; discuter de l'étalonnage et des vérifications de zéro ; décrire les techniques de mesure correctes ; identifier et contrôler d'autres variables pertinentes ; juger si des lectures répétées sont appropriées ; identifier les questions de santé/sécurité et les précautions pratiques ; expliquer le traitement des données ; identifier les incertitudes/erreurs systématiques et les moyens de les réduire ou de les éliminer ; discuter des avantages/risques et du contexte social, environnemental ou historique.
Source : Programme Cambridge International
3.2Mesure, enregistrement et incertitude
Pearson Edexcel IAL Physics Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.24–26 et Annexe 10 pp.75–77. Il s'agit de subdivisions pédagogiques locales, pas de déclarations officielles numérotées du programme.
Mise en œuvre et mesures : évaluer le nombre et la plage des lectures ; enregistrer les chiffres significatifs cohérents avec la résolution ; inspecter les lectures incohérentes au lieu de les supprimer silencieusement ; lire les instruments, y compris les pied à coulisse (0.1 mm) et le micromètre (0.01 mm) ; suggérer du matériel ou des techniques supplémentaires spécifiques pour améliorer la mesure. Déterminer l'incertitude relative sur une lecture unique utilisant la moitié de la résolution de l'instrument, et l'incertitude sur des lectures répétées utilisant la moitié de la plage. Appliquer les définitions de l'Annexe 10 concernant la justesse, la précision, la reproductibilité, la réplicabilité, la validité, l'erreur, l'incertitude et la résolution.
Source : Programme Cambridge International
3.3Graphiques, traitement des données et conclusions justifiées
Pearson Edexcel IAL Physics Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.24–26 et Annexe 10 pp.75–77. Il s'agit de subdivisions pédagogiques locales, pas de déclarations officielles numérotées du programme.
Traitement des résultats : calculer avec les chiffres significatifs et les unités appropriés ; choisir les axes/échelles de graphique et tracer les données ; interpréter la relation et déduire une constante du graphique en utilisant un grand triangle de pente ; proposer des améliorations réalistes ; discuter qualitativement/quantitativement de l'incertitude ; comparer un intervalle mesuré avec une valeur proposée/acceptée. L'unité 3 ne requiert pas la composition des incertitudes relatives. Sélectionner une plage adaptée et des données ciblées supplémentaires près d'un maximum lorsque la demande l'exige.
Source : Programme Cambridge International
Fiche de cours
Un nombre nécessite une méthode
Deux groupes mesurent le même fil. Leurs valeurs diffèrent. Lequel devez-vous faire confiance ? Vous avez besoin de plus que le nombre final : l'instrument, la méthode, les lectures répétées et l'incertitude comptent tous.
Compétences pratiques en physique WPH13 est un dossier écrit portant sur les travaux pratiques des Unités 1–2. Il dure 80 minutes et compte 50 points. Toutes les questions sont obligatoires. Au moins 20 points évaluent les mathématiques au niveau 2 ou supérieur. Ce guide soutient un travail de laboratoire réel ; le lire ne remplace pas la prise de mesures vous-même.
Les trois fiches de compétences suivent le processus : planifier une investigation valide, collecter et enregistrer des mesures, puis traiter les résultats et justifier les conclusions. La spécification officielle donne des listes de compétences plutôt que des énoncés numérotés pour cette unité.
Planifier une investigation valide
Une mesure valide mesure ce que vous visez à mesurer. Un chronomètre précis ne sert à rien s'il chronomètre le mauvais événement.
Commencez par nommer la variable indépendante que vous modifiez et la variable dépendante que vous mesurez. Recensez les variables de contrôle qui pourraient également influencer la variable dépendante. Indiquez comment vous maintiendrez chacune d'elles constante.
Transformer une description en méthode utilisable
Une méthode doit comprendre :
du matériel nommé, avec une plage de mesure appropriée et une résolution ;
un agencement indiquant où les mesures sont prises ;
des étapes qu'un autre élève peut suivre, y compris les événements de départ et d'arrivée ;
plusieurs réglages de la variable indépendante sur une plage utile ;
des répétitions permettant de tester la stabilité et d'estimer la variation ;
un calcul ou un graphique répondant à la question de l'investigation ;
des sources spécifiques d'incertitude et des améliorationsproposees ;
des dangers réalistes accompagnés d'une solution pratique pour réduire chaque risque.
N'écrivez pas simplement « prendre des relevés » ou « utiliser un meilleur équipement ». Nommez la grandeur lue, l'instrument utilisé et ce que l'amélioration modifie.
Exemple de planification détaillé : fréquence et tension d'une corde
Investiguer comment la fréquence fondamentale dépend de la tension dans une corde.
Utiliser un générateur de vibrations et un générateur de signaux. Passer la corde sur une poulie vers un porte-masses.
Changer la masse suspendue $m$. Avec une poulie libre, la tension est approximativement $T=mg$.
Mesurer la longueur vibrante entre les nœuds extrêmes. Utiliser la même corde et maintenir cette longueur fixe.
Ajuster la fréquence pour le fondamental à chaque fois. Le même mode est une variable de contrôle, pas un détail optionnel.
Mesurer la masse et la longueur totale de la corde pour déterminer la densité linéique $\mu$. La maintenir inchangée dans cette investigation.
Enregistrer plusieurs tensions et leurs fréquences de résonance. Répéter l'accordage près de chaque résonance.
Un graphique de $f^2$ en ordonnée contre $T$ en abscisse doit être une droite passant par l'origine. Un grand triangle permet de déterminer la pente. Sécuriser le support et garder les pieds à distance des masses tombantes. Cela est plus concret que dire simplement « faites attention ».
Étalonnage et vérifications de zéro
L'étalonnage vérifie un instrument par rapport à des valeurs de référence connues. Une erreur de zéro survient lorsque l'instrument n'affiche pas zéro dans les conditions correctes de zéro. Vérifier les mâchoires fermées d'un micromètre ou une balance vide avant toute mesure.
Si un micromètre affiche $+0.03\ \text{mm}$ avec ses mâchoires correctement fermées, soustraire $0.03\ \text{mm}$ à chaque lecture ultérieure. Répéter la mesure seule ne supprime pas ce décalage. Une vérification de zéro ne peut prouver que chaque point de l'échelle est étalonné correctement.
Plage, espacement et répétitions
Choisir une plage suffisamment large pour révéler la relation. Plusieurs mesures regroupées près d'un seul réglage peuvent donner une mauvaise pente. Utiliser plus de réglages près d'un point de retournement si vous devez localiser un maximum avec précision.
Les répétitions sont utiles lorsque les conditions peuvent être reproduites. Elles montrent la dispersion et aident à identifier des lectures instables. Cependant, des lectures répétées d'une pile se déchargeant ou d'un fil chauffant peuvent dériver car les conditions changent. Réduire le courant, éteindre entre les lectures, contrôler la température ou restaurer les conditions. Ne pas moyennner une dérive comme s'il s'agissait d'une variation aléatoire.
Contrôler la cause réelle
Lors du variation de l'angle d'une lampe au-dessus d'une cellule solaire, maintenir la distance lampe-cellule et la puissance lumineuse fixes. Contrôler la lumière ambiante, par exemple avec un blindage ou une pièce assombrie. Garder la cellule et sa charge identiques. Sinon, une variation de la puissance mesurée pourrait provenir de la distance, de l'éclairage ou de la résistance du circuit plutôt que de l'angle.
Discuter du contexte en utilisant une cause physique. Un panneau solaire suiveur peut rester plus proche de l'incidence normale et collecter plus d'énergie sur une journée. Son moteur consomme également de l'énergie et ajoute des coûts ou de la maintenance. « Meilleur pour l'environnement » seul n'explique ni l'un ni l'autre effet.
Mesure et enregistrement
La justesse décrit la proximité de la valeur vraie. La précision décrit à quel point les valeurs répétées sont groupées. Des résultats groupés étroitement peuvent tous partager un décalage systématique.
La reproductibilité (répétitivité) concerne des résultats similaires obtenus par le même opérateur et la même méthode sur une courte période.
La reproductibilité (fiabilité) concerne des résultats similaires provenant de différents opérateurs, appareils ou méthodes.
Les effets aléatoires causent une variation imprévisible. Répéter et prendre une moyenne peuvent réduire leur influence.
Erreur systématique décale les résultats de manière constante. Corriger la cause ou le décalage connu ; répéter ne l'élimine pas.
Incertitude est un intervalle raisonnable associé à une mesure. Ce n'est pas automatiquement une erreur ni la valeur connue de celle-ci.
Lire les instruments à leur résolution
Une règle millimétrée a un plus petit intervalle de $1\ \text{mm}$. Les spécifications prévoient que des pieds à coulisse standard ont une résolution de $0.1\ \text{mm}$, et qu'un micromètre standard a une résolution de $0.01\ \text{mm}$. Vérifiez l'instrument affiché : un affichage numérique ou une échelle différente peut avoir une résolution distincte.
Pour un micromètre, additionnez la lecture visible du fût et celle de la manivelle. Incluez une marque visible du demi-millimètre sur le fût si nécessaire. Utilisez le cliquet pour une pression de contact constante, plutôt que de serrer excessivement les mâchoires.
Pour des pieds à coulisse, lisez l'échelle principale juste avant le zéro du vernier, puis ajoutez la division alignée du vernier multipliée par sa résolution. Vérifiez que les mâchoires touchent les surfaces visées sans inclinaison. Ne déduisez pas une échelle manquante d'une description textuelle extraite : lisez directement le schéma de l'instrument.
Lisez le fût avant d'ajouter la division alignée de la manivelle.
Exemple résolu. La dernière marque visible du fût est $4.5\ \text{mm}$. La division de la manivelle 23 est alignée avec la ligne de référence. La résolution est $0.01\ \text{mm}$ et l'erreur de zéro est $+0.02\ \text{mm}$.
Évitez la parallaxe en observant l'échelle selon la bonne ligne de visée. Utilisez un triangle pour reporter une hauteur ou une position sur une règle. Gardez la règle parallèle à la distance mesurée ; une règle inclinée mesure une distance différente.
Un portail photo mesure le temps de blocage d'un objet interrompant. Avec une longueur d'interruption connue $l$, la vitesse est $v=l/t$. Cela donne la vitesse lors du passage, mais pas l'accélération seule. Pour trouver l'accélération, mesurez un changement de vitesse sur un temps connu, ou utilisez une équation de mouvement justifiée avec des quantités supplémentaires mesurées. N'appeler pas $l/t$ accélération.
Une vidéo avec un taux de cadence connu peut réduire l'incertitude de temps de réaction. Comptez les images entre des événements de début et de fin clairement définis, puis utilisez $t=N/f_{\text{frame}}$. L'intervalle entre les images limite la résolution temporelle. Des images floues ou des positions d'événements imprécises peuvent encore limiter le résultat.
Tableaux et chiffres significatifs
Placez la grandeur et l'unité ensemble dans chaque en-tête de colonne, par exemple $l/\text{mm}$. Enregistrez les mesures brutes avec des décimales correspondant à la résolution de l'instrument. N'ajoutez pas de chiffres supplémentaires que l'instrument ne peut pas résoudre.
Lecture
Temps / s
1
5.12
2
5.24
3
5.18
4
5.20
Tous ces éléments ont deux décimales identiques. Une moyenne calculée peut conserver des chiffres supplémentaires pendant le traitement, puis être rapportée de manière raisonnable. Les valeurs traitées pour un graphique sont généralement données avec trois chiffres significatifs, sauf indication contraire dans la question ou les données. Ne mélangez pas $5.1$, $5.24$ et $5.180$ comme s'ils provenaient d'un même affichage inchangé.
Une lecture anormale ne correspond pas au motif. Vérifiez la lecture, la méthode et répétez la mesure si possible. Ne supprimez pas silencieusement la valeur la moins commode. Une anomalie suspecte nécessite une justification et une décision enregistrée.
Incertitude dans cette unité
Pour une seule lecture, cette spécification utilise la moitié de la résolution de l'instrument comme estimation de base de l'incertitude absolue. Cela ne signifie pas que la résolution soit la seule source d'incertitude. Une extrémité mal définie, un temps de réaction ou un mauvais alignement peuvent rendre l'incertitude plus grande.
Rapport sur $(5.19\pm0.06)\ \text{s}$. Conserver la moyenne non arrondie dans le calcul en pourcentage. L'écart entre répétitions est bien supérieur à un demi-centième de seconde ; n'indiquer que la résolution de l'affichage sous-estimerait la variation observée.
L'unité 3 ne nécessite pas de combiner les incertitudes relatives pour une grandeur calculée. Si une incertitude pour cette grandeur est fournie, utilisez-la directement. N'introduisez pas ici une règle avancée de propagation comme exigence.
Graphiques et traitement des résultats
Choisir des échelles qui représentent les données
Déterminez quelle quantité appartient à chaque axe. Utilisez des étiquettes claires (quantité/unité) et des échelles régulières. Exploitez une grande partie de la grille disponible ; évitez des intervalles maladroits difficiles à subdiviser. Aucun axe ne doit toujours commencer à zéro, mais ne masquez pas si une relation de proportionnalité proposée passe par l'origine.
Tracez de petits croix précisément. Dessinez une fine droite ou courbe d'ajustement selon la relation. Ne reliez pas les points bruités par un zigzag sauf si la question le demande. Une droite d'ajustement équilibre la dispersion plutôt que de passer par tous les points.
Utilisez des points éloignés sur la droite d'ajustement, et non un petit couple de points de données voisins.
Transformer un gradient en constante physique
Pour une droite $y=mx+c$, identifiez quelle partie de l'équation physique correspond à $m$ et $c$. Une droite ne prouve pas une proportionnalité directe si son ordonnée à l'origine est non nulle.
Exemple résolu. Un fil suit $R=(\rho/A)l+R_0$. Une droite d'ajustement passe par $(0.20\ \text{m},1.20\ \Omega)$ et $(1.00\ \text{m},4.40\ \Omega)$.
Connue : deux points largement espacés sur la droite ajustée. Pourquoi : la pente vaut $\rho/A$.
Si $A=1.0\times10^{-7}\ \text{m}^2$, la résistivité est :
$$\rho = mA = 4.00\ \Omega\,\text{m}^{-1}\times1.0\times10^{-7}\ \text{m}^2 = 4.0\times10^{-7}\ \Omega\,\text{m}$$
L'ordonnée à l'origine fixe peut représenter une résistance de contact ou de fil. Diviser une mesure de $R$ par $l$ inclurait ce décalage et donnerait une pente erronée.
Les facteurs d'échelle appartiennent au gradient
Supposons qu'un axe soit intitulé $f/\text{MHz}$. Un gradient lu sur ce graphique a MHz dans ses unités. Convertissez en Hz avant d'utiliser les constantes SI. Un graphique de $f$ contre $\sin\theta$ a un axe horizontal sans dimension ; son gradient a donc des unités de fréquence. Utilisez le mode degrés si l'angle mesuré est en degrés.
Si une équation fournie est $f=(v/\lambda)\sin\theta$, un graphique de $f$ contre $\sin\theta$ a un gradient de $v/\lambda$. Réarrangez $v=\lambda\times\text{gradient}$. Ne supposez pas que tout graphique de fréquence ait un gradient égal à la vitesse.
Courbes, maxima et améliorations spécifiques
Un large éventail de valeurs permet d'abord de localiser un maximum. Ensuite, prenez des lectures plus espacées étroitement autour de cette région. Répéter une seule valeur ne permet pas de localiser le maximum entre les points existants. Maintenez les autres conditions stables et tenez compte de la dispersion lors de l'énoncé de l'angle ou de la résistance optimale.
Pour une expérience sur le mouvement, une équerre peut améliorer la mesure de la distance horizontale. Pour une expérience sur une lampe, une enveloppe sombre peut réduire l'éclairage d'arrière-plan variable. Pour une expérience sur la résonance, approchez-vous du son le plus fort à partir de fréquences supérieures et inférieures, puis répétez. Chaque amélioration cible une limitation nommée.
Conclusions soutenues par l'incertitude
Une valeur avec incertitude décrit un intervalle. Comparez cet intervalle à la valeur proposée, puis indiquez ce que les données soutiennent. Une concordance dans la marge d'incertitude ne prouve pas qu'un matériau ou un modèle est identifié de manière unique.
Exemple résolu. La densité mesurée est $8.90\ \text{g cm}^{-3}$ avec une incertitude relative de $0.9\%$. Peut-elle être en accord avec une valeur proposée de $8.94\ \text{g cm}^{-3}$ ?
L'intervalle s'étend approximativement de $8.82$ à $8.98\ \text{g cm}^{-3}$. La valeur proposée se trouve à l'intérieur de celui-ci, donc la mesure est cohérente avec cette valeur. Cela ne prouve pas que l'objet a cette composition.
Si deux prédictions du modèle se situent toutes deux à l'intérieur de l'intervalle, les données ne permettent pas de les distinguer. Réduisez l'incertitude dominante ou ajoutez une mesure différente avant de prétendre à une identification unique.
Vérifiez-vous
Avant de tenter un problème pratique écrit, vérifiez que vous pouvez :
transformer les noms des appareils en méthode exploitable avec contrôles et cheminement de traitement ;
lire la résolution et corriger un décalage de zéro connu ;
distinguer exactitude, précision, répétabilité et reproductibilité ;
calculer une moyenne, une demi-amplitude et une incertitude relative ;
tracer des données, utiliser un grand triangle de pente et interpréter une ordonnée à l'origine ;
convertir une incertitude fournie en intervalle et donner une conclusion justifiée ;
relier chaque amélioration au problème de mesure qu'elle réduit réellement.
4.1Impulsion et collisions bidimensionnelles (énoncés 81–86, PF9–10)
Pearson Edexcel IAL Physics WPH14/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.28–31 (PDF pp.32–35).
Paraphrase fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; notation mathématique normalisée depuis le PDF original. Les limites de feuille locales ne constituent pas des titres officiels du programme.
Comprendre et utiliser l'impulsion FΔt = Δp (deuxième loi de Newton).
EXPÉRIENCE CENTRALE 9 : Étudier la force exercée sur un objet et sa variation de quantité de mouvement.
Appliquer la conservation de la quantité de mouvement linéaire en deux dimensions.
EXPÉRIENCE CENTRALE 10 : Utiliser les TIC pour analyser des collisions entre petites sphères, telles que des billes sur une table.
Déterminer si une collision est élastique ou inélastique.
Dériver et utiliser E_k = p²/(2m) pour une particule non relativiste.
Source : Programme Cambridge International
4.2Mouvement circulaire (énoncés 87–91)
Pearson Edexcel IAL Physics WPH14/01, Issue 3 (July 2021), printed pp.28–31 (PDF pp.32–35).
Main-loop faithful paraphrase of numbered requirements; mathematical notation normalised from the original PDF. Local sheet boundaries are not official specification headings.
Express angular displacement in radians and degrees, and convert between them.
Understand angular velocity and use v = ωr and ω = 2π/T.
Use vector diagrams to derive a = v²/r = rω² and use these equations.
Understand that a resultant centripetal force produces and maintains circular motion.
Use F = ma = mv²/r = mrω².
Source : Programme Cambridge International
4.3Champs électriques et potentiel (énoncés 92–99)
Pearson Edexcel IAL Physics WPH14/01, Issue 3 (July 2021), printed pp.28–31 (PDF pp.32–35).
Main-loop faithful paraphrase of numbered requirements; mathematical notation normalised from the original PDF. Local sheet boundaries are not official specification headings.
Define an electric field as a region where a charged particle experiences a force.
Define and use electric field strength E = F/Q.
Use Coulomb's law F = Q₁Q₂/(4πε₀r²).
Use E = Q/(4πε₀r²) for a point charge.
Understand the relation between electric field and potential.
Use E = V/d for parallel plates.
Use V = Q/(4πε₀r) for a radial field.
Draw and interpret field lines and equipotentials for uniform and radial fields.
Source : Programme Cambridge International
4.4Condensateurs et circuits RC (énoncés 100–104, PF11)
Pearson Edexcel IAL Physics WPH14/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.28–31 (PDF pp.32–35).
Paraphrase fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; notation mathématique normalisée depuis le PDF original. Les limites de feuille locales ne constituent pas des titres officiels du programme.
Définir la capacité C = Q/V et utiliser l'équation.
Dériver l'énergie emmagasinée W = ½QV à partir de l'aire sous un graphique tension–charge ; dériver et utiliser W = ½CV² et W = Q²/(2C).
Tracer et interpréter les courbes de charge/décharge d'un circuit résistor–condensateur et comprendre la constante de temps RC.
PRATIQUE FONDAMENTALE 11 : Utiliser un oscilloscope ou un collecteur de données pour afficher et analyser la tension aux bornes d'un condensateur lors de sa charge et de sa décharge à travers une résistance.
Utiliser Q = Q₀ exp(−t/RC) ; dériver et utiliser les équations correspondantes pour le courant et la tension, ainsi que leurs formes logarithmiques.
Source : Programme Cambridge International
4.5Forces magnétiques et induction (énoncés 105–110)
Pearson Edexcel IAL Physics WPH14/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.28–31 (PDF pp.32–35).
Paraphrase fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; notation mathématique normalisée depuis le PDF original. Les limites de feuille locales ne constituent pas des titres officiels du programme.
Comprendre l'induction magnétique B, le flux φ et l'enchaînement de flux Nφ.
Utiliser F = Bqv sinθ et appliquer la règle de la main gauche de Fleming aux particules chargées.
Utiliser F = BIl sinθ et appliquer la règle de la main gauche de Fleming aux conducteurs.
Comprendre ce qui influence la f.é.m. induite lorsque bobine et aimant permanent se déplacent relativement l'un par rapport à l'autre.
Comprendre ce qui influence la f.é.m. induite lorsqu'un courant varie dans une autre bobine couplée.
Utiliser la loi de Faraday et l'équation combinée de Faraday–Lenz f.é.m. = −d(Nφ)/dt.
Source : Programme Cambridge International
4.6Structure nucléaire, accélérateurs et traces (énoncés 111–117, 120)
Pearson Edexcel IAL Physics WPH14/01, Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.28–31 (PDF pp.32–35).
Paraphrase fidèle de la boucle principale des exigences numérotées ; notation mathématique normalisée depuis le PDF original. Les limites de feuille locales ne constituent pas des titres officiels du programme.
Comprendre le nombre de nucléons (de masse) et le nombre de protons (atomique).
Expliquer les preuves de diffusion alpha à grand angle en faveur du modèle nucléaire et l'évolution historique des modèles atomiques.
Comprendre l'émission thermoionique d'électrons et leur accélération par des champs électriques et magnétiques.
Comprendre les champs électriques/magnétiques dans les linacs, cyclotrons et détecteurs ; les détails sur les détecteurs se limitent aux principes d'ionisation et de déviation.
Dériver et utiliser r = p/(BQ) pour une particule chargée dans un champ magnétique.
Appliquer la conservation de la charge, de l'énergie et de la quantité de mouvement aux interactions de particules et interpréter les traces.
Expliquer pourquoi des énergies élevées sont nécessaires pour explorer la structure des nucléons.
Comprendre l'augmentation significative de la durée de vie des particules due à la relativité ; l'utilisation d'équations relativistes n'est pas requise.
Source : Programme Cambridge International
4.7Particules, antiparticules et conservation (énoncés 118–119, 121–124)
Pearson Edexcel IAL Physics WPH14/01, Issue 3 (July 2021), printed pp.28–31 (PDF pp.32–35).
Main-loop faithful paraphrase of numbered requirements; mathematical notation normalised from the original PDF. Local sheet boundaries are not official specification headings.
Use ΔE = c²Δm in matter/antimatter creation and annihilation.
Use MeV/GeV for energy and MeV/c² or GeV/c² for mass and convert to SI.
Classify baryons (three quarks), mesons (quark/antiquark), fundamental leptons and photons; know model symmetry predicted the top quark.
Use particle properties to deduce corresponding antiparticle properties and vice versa.
Use charge, baryon-number and lepton-number conservation to assess interactions.
Write and interpret particle equations from supplied symbols.
Source : Programme Cambridge International
Fiche de cours
From a collision to a particle accelerator
A car bumper and a particle detector seem very different. Both use momentum and forces. This unit follows those ideas into circular motion, electric fields, magnetic fields and particle interactions.
WPH14 assesses requirements 81–124 of the Issue 3 specification. It can also use knowledge from Units 1–2. Use the seven skill sheets in order. Check units, directions and the assumptions behind each equation. A familiar equation can give a wrong answer when its model does not fit.
Impulse and two-dimensional collisions
Force changes momentum
Quantité de mouvement 动量 is the vector $\mathbf p=m\mathbf v$. Choose a positive direction before using signs. Impulse 冲量 is the change in momentum. For constant force, or the average force over an interval:
$$F_{\text{average}}\Delta t=\Delta p=m(v-u)$$
A changing force gives an impulse equal to the signed area under its force–time graph. A triangular pulse has area $\frac12\times\text{base}\times\text{height}$. An area below the time axis is negative. The maximum force is not automatically the average force.
Worked example. A $0.20\ \text{kg}$ ball approaches a wall at $+6.0\ \text{m s}^{-1}$. It rebounds at $-4.0\ \text{m s}^{-1}$. Contact lasts $0.050\ \text{s}$. Find average force on the ball.
Known: mass, signed initial/final velocities and contact time.
Why: force impulse changes the ball's momentum; rebound reverses the sign.
$$\Delta p=m(v-u)=0.20\ \text{kg}\times(-4.0-6.0)\ \text{m s}^{-1}=-2.0\ \text{kg m s}^{-1}$$
$$F_{\text{average}}=\frac{\Delta p}{\Delta t}=\frac{-2.0\ \text{kg m s}^{-1}}{0.050\ \text{s}}=-40\ \text{N}$$
The force is opposite the chosen positive direction. The wall feels an opposite force. A deforming bumper or helmet increases stopping time. For the same momentum change, this reduces average force. It does not remove the momentum change.
Conserve each momentum component
An isolated system 孤立系统 has no significant external impulse during the event. Its total momentum is conserved. Internal forces cancel in opposite pairs. Momentum conservation does not require kinetic energy conservation.
For a collision in a plane, resolve every momentum into two perpendicular axes:
Use the angle measured from the chosen axis. Include signs; a downward component is negative if upwards is positive. Do not add momentum magnitudes when directions differ.
Worked example. A $0.10\ \text{kg}$ sphere moving at $2.0\ \text{m s}^{-1}$ strikes two stationary spheres, each $0.10\ \text{kg}$. It stops. The two others leave symmetrically at $1.2\ \text{m s}^{-1}$, at angles $+\theta$ et $-\theta$ to the original direction. Find their separation angle and classify the collision.
Why: transverse momenta cancel by symmetry; longitudinal momentum gives $\theta$.
An elastic collision 弹性碰撞 conserves total kinetic energy as well as momentum. An inelastic collision 非弹性碰撞 does not conserve kinetic energy; some becomes other forms of energy.
This collision is inelastic. Total energy is still conserved. In an ordinary passive collision, kinetic energy cannot increase without an additional energy source.
For a non-relativistic particle 非相对论粒子, use $p=mv$ et $E_k=\frac12mv^2$. Substituting $v=p/m$ gives:
At equal kinetic energy, $p=\sqrt{2mE_k}$: a larger mass has larger momentum. At equal momentum, a larger mass has smaller kinetic energy. These equations are not valid for a particle moving close to light speed.
Core practicals 9 and 10
Pour core practical 9, use a trolley, force sensor and data logger. Measure trolley mass and velocities just before/after contact using light gates or a motion sensor. Record the force–time pulse at a sampling rate fast enough to resolve it. Zero the force sensor; use consistent axes for force and velocity. Integrate the graph area and compare it with $m(v-u)$. Repeat for different contact forces or speeds. A graph of impulse against momentum change should have gradient close to one. Friction, sensor offsets and missed parts of the pulse can cause disagreement. Secure the track and catch the trolley safely.
Pour core practical 10, record small spheres colliding on a level surface using an overhead camera. Include a length scale in the collision plane and a known frame rate. Keep the camera perpendicular to reduce perspective error. Track centres over several frames before and after the short collision. Convert pixel displacements to metres and frame intervals to seconds. Determine both velocity components, then compare total momentum components and kinetic energies. Repeat with different approach directions. Include uncertainty from positions, timing and scale calibration. A small mismatch within uncertainty is not evidence that momentum fails. Keep spheres contained so they cannot fall or become a slipping hazard.
Mouvement circulaire
Angle, angular speed and tangential speed
An angle of one radian 弧度 subtends an arc equal to the radius. Hence $\theta=s/r$, with angle in radians. One revolution is $2\pi$ radians or $360^\circ$.
Angular velocity 角速度 describes the rate of angular displacement. In the plane problems here, use its signed rotational rate or magnitude as appropriate. Points on one rigid turntable have the same angular speed. Points farther from its centre have larger tangential speed 切向速率. Their velocity directions also vary around the circle.
Worked example. A wheel rotates at $120$ revolutions per minute. Find angular speed and acceleration of a point $0.25\ \text{m}$ from its centre.
Keep the unrounded angular speed during the calculation. Use radius, not diameter.
Why acceleration points inward
Uniform circular motion has constant speed but changing velocity. Draw the initial and final tangential velocity vectors. The change is $\Delta\mathbf v=\mathbf v_2-\mathbf v_1$, not their sum. For a small angular change, the velocity triangle and radius triangle are similar:
Centripetal force names the resultant of real forces. It is not an extra force to add to a force diagram. Friction can provide it on a turntable. Tension can provide it for a ball on a string.
Write the real-force equation
For clothing against the inside of a vertical drum, weight always points down. The drum's normal reaction points towards the centre. At constant speed:
The required resultant has the same magnitude, but the reaction is larger at the bottom. If contact is lost, the surface cannot provide a pulling normal reaction. Check this before using a circular-path model.
For a horizontal turntable, the largest available friction must be at least $mr\omega^2$. If maximum friction is $mg/25$:
Mass cancels because both required and available forces scale with mass. If the inward force disappears, motion initially follows the tangent. Gravity can then curve the later path; “tangent” describes the release direction.
Electric fields and potential
Force and potential describe different things
An electric field 电场 is a region where a charged particle experiences a force. Electric field strength 电场强度 is force per unit positive test charge:
Potential is a scalar; field is a vector. A point with zero potential need not have zero field. Adding signed potentials is different from adding field vectors.
Radial and uniform fields
For point charges, or outside an isolated charged conducting sphere, with $k=1/(4\pi\varepsilon_0)$:
Here $r$ is separation of charge centres; sphere distances are measured from its centre. Like charges repel, unlike charges attract. Potential takes the sign of $Q$ when zero is at infinity.
Between large parallel plates, away from edges, the field is approximately uniform:
$$|E|=\frac{|\Delta V|}{d}$$
The field points from higher to lower potential. Plate separation $d$ is perpendicular to the plates. An equipotential 等势面 has the same potential everywhere. Field lines cross equipotentials at right angles. Moving along one involves no change in electric potential energy.
The radial field is the negative potential gradient: $E_r=-\mathrm dV/\mathrm dr$. For a positive source, the signed area under its $E$–$r$ curve from $r$ to infinity equals $V(r)$. The area from zero to $r$ is not that potential. In a uniform field, closer equally spaced potential levels mean stronger field.
Worked example. A sphere of radius $0.20\ \text{m}$ has potential $9.0\ \text{kV}$. Find charge and field at $0.30\ \text{m}$ from its centre. Use $k=8.99\times10^9\ \text{N m}^2\text{C}^{-2}$.
Use the surface radius to find charge, then the new centre-distance to find field. Do not reuse the surface distance for the second step.
Compare electrical and gravitational forces
A stationary charged oil drop can satisfy $|q|E=mg$. Use $m=\rho\mathcal V$ if density and volume are given. Divide the charge magnitude by $e=1.60\times10^{-19}\ \text{C}$ to test whether it is close to an integer multiple. Charge sign follows the direction of force required, not its magnitude alone.
To lift a spherical grain, compare $qE$ with $\rho(4\pi r^3/3)g$. Radius is half the listed diameter. A calculated maximum diameter is a threshold: choose the largest listed diameter below it. On an inclined panel, the normal component of weight is $mg\cos\theta$. The electric force perpendicular to the panel need overcome that component to detach a grain; gravity also has a downslope component.
Capacitors and RC circuits
Charge storage and energy
A un condensateur 电容器 stores separated charge on two conductors. They carry equal and opposite charges in the ideal two-plate model. The quoted charge $Q$ is the magnitude on either plate, not the sum of both magnitudes. Capacité 电容 is charge stored per unit p.d.:
$$C=\frac QV$$
One farad is one coulomb per volt. For constant capacitance, a $V$–$Q$ graph is straight through the origin with gradient $1/C$. Its area gives the work needed to transfer charge onto the capacitor:
$$W=\frac12QV=\frac12CV^2=\frac{Q^2}{2C}$$
The factor one half appears because p.d. rises from zero while charge is transferred. It is not $QV$ at the final voltage throughout charging. For discharge between non-zero voltages, subtract the two stored energies:
This is different from $\frac12C(V_{\text{initial}}-V_{\text{final}})^2$.
Charging and discharging
In an ideal series resistor–capacitor charging circuit, initially uncharged, the capacitor p.d. is zero. The resistor initially has the full supply p.d., so current is maximum. As charge builds, capacitor p.d. rises. Resistor p.d. and current fall. At full charge, current is zero and capacitor p.d. equals supply p.d.
For discharge through a fixed resistance, use signed current consistently or work with its magnitude:
The voltage relation follows from $Q=CV$ with constant $C$. Current magnitude follows from $|I|=V/R$ with constant $R$. The time constant 时间常数 is $\tau=RC$. After one time constant, $Q$, $V$ and current magnitude are $e^{-1}\approx0.368$ of their initial values. After three time constants they are about $5\%$, not zero. Stored energy falls faster because it depends on $V^2$.
A charging capacitor voltage rises towards $V_s$; charging current falls towards zero. Do not sketch the same curve for both quantities. Equal $V_C$ et $V_R$ means each is $V_s/2$, reached at $t=RC\ln2$.
Taking natural logs of the discharge equation gives:
$$\ln V=\ln V_0-\frac{t}{RC}$$
Thus a graph of $\ln V$ contre $t$ has gradient $-1/(RC)$ and intercept $\ln V_0$. The same forms hold for $Q$ and current magnitude. Use consistent measurement units inside the logged numerical values.
Worked example. A $100\ \mu\text{F}$ capacitor discharges from $12.0\ \text{V}$ through $20.0\ \text{k}\Omega$. Find p.d. after $3.0\ \text{s}$ and energy lost.
The lost stored energy becomes mainly heat in the discharge resistance. Use unrounded voltage in the final calculation.
Core practical 11 and useful extensions
Use a low-voltage d.c. supply, resistor, capacitor and switch. Charge through the resistor, then disconnect the supply and discharge through the known resistance. Connect a voltage sensor, data logger or oscilloscope across the capacitor. Record time and p.d.; choose a sampling interval short compared with $RC$. Use an instrument input resistance large compared with the discharge resistance, otherwise it changes the discharge path.
Conserver $R$ et $C$ fixed, repeat after restoring the same initial charge, and compare measured curves with exponential predictions. Determine $RC$ from the $1/e$ level or a log-fit gradient. Avoid taking logs of readings near zero where relative uncertainty is large. For a resistance-tolerance test, calculate $R=-\Delta t/[C\ln(V_2/V_1)]$ during one uninterrupted discharge and compare with both limits of the permitted interval.
Use correct polarity for an electrolytic capacitor and remain below its voltage rating. Discharge it safely through a resistor before altering connections; do not short a charged capacitor. Leakage, sensor loading and resistor heating can change the measured curve.
A smoothing capacitor charges near supply peaks and discharges into the load between them. A smaller load resistance gives a smaller time constant, faster discharge and less smoothing. For two identical series capacitors, the same magnitude of charge appears on each. Their equal p.d.s share the supply, so each stores half the charge of one identical capacitor connected alone. This sharing is a useful bridge to the selected paper; it does not replace the main capacitance model.
Magnetic forces and induction
Directions, flux and force
Magnetic flux density 磁感应强度$B$ describes the field's force effect. For a straight wire of length $l$ in a uniform field:
$$F=BIl\sin\theta$$
Here $\theta$ is between conventional current and field. Only the length inside the field counts. For one charged particle:
$$F=|q|vB\sin\theta$$
Use Fleming's left-hand rule 弗莱明左手定则: first finger along field, second along conventional current, thumb gives force. A positive charge moves with conventional current. Reverse the result for an electron's motion. Dot symbols mean out of the page; crosses mean into it.
Magnetic force is perpendicular to velocity, so it changes direction without doing work. It cannot, alone, increase the particle's kinetic energy. If $\mathbf v$ is parallel to $\mathbf B$, magnetic force is zero.
Magnetic flux 磁通量 through a flat area in a uniform field is:
$$\phi=BA\cos\alpha$$
Here $\alpha$ is between field and the area's normal, not the plane itself. The unit is the weber. Flux linkage 磁通链 is $N\phi$ when the same flux links each of $N$ turns.
Worked example. A coil has 40 turns and radius $0.015\ \text{m}$. A uniform $0.020\ \text{T}$ field is perpendicular to its plane. Find flux linkage.
Use radius, not diameter, and multiply by turns only when finding linkage. A balance under magnets measures the opposite reaction to a force on a separately supported wire. Convert a balance reading change $\Delta m$ to force $\Delta mg$, not $\Delta m$ itself.
A changing linkage induces an e.m.f.
Induction électromagnétique 电磁感应 occurs when flux linkage changes. Relative movement of a coil and magnet can cause it. Rotating the coil or changing current in another linked coil can also cause it. A stationary coil in a constant field has no induced e.m.f. merely because flux is present.
Faraday's law 法拉第电磁感应定律 relates e.m.f. magnitude to rate of flux-linkage change. Lenz's law 楞次定律 gives the opposing direction:
Induced current, if the circuit is closed, produces a magnetic effect opposing the change that caused it. It does not always oppose the existing field: when that field decreases, the induced effect helps maintain it. This opposition is consistent with energy conservation.
Worked example. Flux through each of 50 turns decreases from $6.0\times10^{-5}$ à $2.0\times10^{-5}\ \text{Wb}$ in $0.020\ \text{s}$. Find average induced e.m.f. magnitude.
Faster movement, stronger field, more turns or larger linked area can increase the rate. Explain which quantity actually changes. In a magnetic-strip reader, reversing pole orientation reverses signal direction. For a straight boundary swept across an area of width $L$ at speed $v$, $\Delta A/\Delta t=Lv$, giving $|\mathcal E|=NBLv$ under that uniform-field model.
Wireless charging uses alternating current in one coil, producing changing magnetic field and changing linkage in the phone coil. That induces an e.m.f. The receiving circuit can then charge the battery. Equal turn counts do not ensure equal voltages: some flux may fail to link the other coil, especially with separation or without an iron core.
Nuclear structure, accelerators and tracks
The nucleus and scattering evidence
In $^{A}_{Z}X$, proton number 质子数$Z$ counts protons and nucleon number 核子数$A$ counts protons plus neutrons. The neutron count is $A-Z$. A neutral atom has $Z$ electrons; an ion need not.
The older distributed-positive-charge model could explain small deflections but not the observed rare large-angle alpha scattering. Most alpha particles pass nearly straight through thin foil, showing that most of the atom is empty space. A small fraction experience very large deflections. Positive alpha particles feel strong electrostatic repulsion near a small, dense, positive nucleus containing most atomic mass. Few large-angle events show that the nucleus occupies a small fraction of the atom's volume. Keep each observation linked to the particular conclusion it supports.
Make, accelerate and steer a beam
Thermionic emission 热电子发射 releases electrons from a heated metal. Heating supplies energy so some electrons can leave the surface. A positive accelerating electrode attracts them through a vacuum. A potential difference changes kinetic energy by the electric work:
For speed calculations use the positive energy gain $|q|\,|\Delta V|$ only when the particle is accelerated through the field in the appropriate direction. Starting from rest, well below light speed:
$$\frac12mv^2=|q|\,|\Delta V|$$
A linear accelerator 直线加速器 uses alternating p.d. across gaps between drift tubes. Particles accelerate in gaps and are shielded inside the conducting tubes. The polarity reverses while particles are inside, so the next gap accelerates them again. At constant alternating frequency, increasing speed requires longer tubes to maintain the time between successive gaps. Across $n$ equal accelerating gaps, total kinetic-energy gain is $n|q|V_{\text{gap}}$.
A cyclotron 回旋加速器 uses a magnetic field perpendicular to two hollow dees. Electric field accelerates particles across the gap. Inside a dee, magnetic force curves the path without increasing speed. Polarity reverses during each half-turn, allowing another energy gain at the next crossing. With perpendicular entry:
In the non-relativistic model, the period is independent of speed. Increasing speed increases radius. Time in one dee is $T/2$, not $T$. The formula assumes constant field and fixed mass in this model; synchronisation fails as relativistic effects become important.
Worked example. A proton moves perpendicular to $B=0.40\ \text{T}$ with momentum $2.0\times10^{-20}\ \text{kg m s}^{-1}$. Use proton mass $1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$.
When starting instead from a de Broglie wavelength, use $p=h/\lambda$, then $E_k=p^2/(2m)$ et $V=E_k/|q|$. Check that the non-relativistic assumption remains suitable.
Read detector evidence carefully
Charged particles ionise matter along their paths, leaving detectable tracks. A neutral particle does not make a direct ionisation track in this model. Its presence can be inferred from missing momentum or from charged products it later produces.
In a known perpendicular magnetic field, curvature direction together with travel direction can identify charge sign. Without field direction, curvature alone cannot give sign. Radius gives momentum through $p=B|q|r$; comparing radii requires knowledge of charge magnitude. A tightening track often shows momentum being lost. Do not infer travel direction from a constant-radius arc alone.
Conserve charge, total energy and vector momentum at an interaction. If visible outgoing momenta do not add to the incoming momentum, a neutral product may carry the missing component. Draw a vector balance rather than guessing from the number of tracks.
High energies probe nucleon structure in two ways. Large momentum gives a short de Broglie wavelength, allowing small structure to be resolved. High collision energy also allows new massive particles to be created. Quarks are not observed as isolated free particles; do not describe a high-energy collision simply as removing a free quark.
Fast muons can reach the ground because their average lifetime measured in the Earth's frame is increased at speeds close to $c$. This does not mean they exceed light speed. Unit 4 requires the significance of this lifetime increase, not use of relativistic equations.
Particles, antiparticles and conservation
Families and antiparticles
In the quark–lepton model 夸克—轻子模型, baryons and mesons contain quarks. Leptons are fundamental particles in the model.
A baryon 重子 contains three quarks, for example a proton $uud$ or neutron $udd$. An antibaryon contains three antiquarks.
A meson 介子 contains one quark and one antiquark, for example a pion.
A lepton 轻子 is fundamental, for example an electron or neutrino. A positron is an antilepton, not a meson.
A photon is the quantum of electromagnetic radiation; it is neither a baryon nor a lepton.
Up-type quarks have charge $+2e/3$ and down-type quarks $-e/3$. Antiquarks have opposite charges. For example, $uud$ sums to $+e$ et $udd$ to zero. The symmetry of the quark families predicted a top quark before it was observed. Classification models make testable predictions, not just lists of known particles.
An antiparticle 反粒子 has the same rest mass as its particle and opposite electric charge when charged. Other relevant additive quantum numbers also reverse. An electron has lepton number $+1$; its positron has $-1$. Both have baryon number zero. A neutral antiparticle can differ in quantum numbers despite having no electric charge.
Check conserved totals
Assign baryon number $+1$ to a baryon, $-1$ to an antibaryon, and zero to mesons/leptons/photons. Quarks carry $+1/3$ and antiquarks $-1/3$. Assign lepton number $+1$ to a lepton and $-1$ to an antilepton. Compare total charge, baryon number and lepton number on both sides of a proposed reaction. Also check energy and momentum. Passing the listed conservation checks alone does not prove that an interaction will occur; it establishes that those laws do not forbid it.
Worked example. Test $n\rightarrow p+e^-+\bar\nu_e$.
Quantité
Before
After
Charge / $e$
0
$+1-1+0=0$
Baryon number
1
$1+0+0=1$
Lepton number
0
$0+1-1=0$
The antineutrino balances the electron's lepton number. Changing it to a neutrino would make the final total $+2$, so that proposed equation would fail this check. Preserve bars and charge signs when interpreting supplied particle symbols.
Rest energy, creation and annihilation
Mass–energy equivalence 质能等价 relates a rest-mass change to energy:
$$\Delta E=c^2\Delta m$$
In pair production 粒子对产生, energy creates a particle–antiparticle pair. The energy must at least supply both rest masses; extra energy can become kinetic energy or recoil. Momentum must also be conserved, so the surrounding interaction matters. In annihilation 湮灭, particle and antiparticle can turn into photons. A pair initially at rest producing two photons gives equal photon energies and opposite momenta. Each photon carries one particle's rest energy for an equal-mass pair; the total is twice that value.
One electronvolt is $e$ joules: $1\ \text{eV}=1.60\times10^{-19}\ \text{J}$. MeV means $10^6$ eV and GeV means $10^9$ eV. A quoted mass in $\text{MeV}/c^2$ is a mass unit, not an energy unit. Multiply by $c^2$ to get its corresponding rest energy.
Worked example. Convert a mass of $140\ \text{MeV}/c^2$ to kilograms.
Use the same units before comparing masses. Percentage difference from an accepted value is $100\times|m_{\text{predicted}}-m_{\text{accepted}}|/m_{\text{accepted}}$. State the reference value. In threshold questions, distinguish rest-energy supply from kinetic energy; do not use $p=mv$ for a photon or a particle close to $c$.
Vérifiez-vous
Can you use signed impulse and two momentum components, then test kinetic energy separately?
Can you derive centripetal acceleration and draw only actual forces?
Can you distinguish field vectors, signed potential and energy changes?
Can you choose the correct capacitor curve and use log slope or tolerance evidence?
Can you explain induction as a change in linkage, including the opposing direction?
Can you separate electric acceleration from magnetic steering and halve a cyclotron period correctly?
Can you preserve particle symbols, conservation totals and energy/mass units?
The skill sheets develop these methods before authentic past-paper tasks. Original practice also covers requirements not sampled in the two recent papers. A short sample of authentic questions does not define the whole syllabus.
Chaleur spécifique/chaleur latente ; énergie interne ; distinguer le transfert d'énergie de la température. Thermistor/pont diviseur de tension étalonné CP12 et chaleur latente CP13 avec apport électrique, perte de masse et correction des pertes.
Preuve de demande rétrospective : plans/2026-10-09-edexcel-ial-physics-u5-demand-map.md. L'évaluation de l'Unité 5 est synoptique avec les Unités 1, 2 et 4.
Source : Programme Cambridge International
5.2Gaz parfaits et énergie cinétique moléculaire (129–132, PF14)
Zéro absolu et kelvin ; pV=NkT, rapports à quantité fixe ; pression/volume à température constante CP14 ; dériver l'énergie cinétique de translation moyenne moléculaire 3kT/2 à partir de la théorie cinétique, distinguer la vitesse efficace quadratique et la vitesse carrée moyenne.
Preuve de demande rétrospective : plans/2026-10-09-edexcel-ial-physics-u5-demand-map.md. L'évaluation de l'Unité 5 est synoptique avec les Unités 1, 2 et 4.
Source : Programme Cambridge International
5.3Énergie de liaison, fission et fusion (133–136)
Défaut de masse et énergie de liaison nucléaire, conversions u et SI, courbe par nucléon et stabilité, énergie de fusion/fission, exigences de haute température et densité pour une fusion soutenue.
Preuve de demande rétrospective : plans/2026-10-09-edexcel-ial-physics-u5-demand-map.md. L'évaluation de l'Unité 5 est synoptique avec les Unités 1, 2 et 4.
Source : Programme Cambridge International
5.4Rayonnement, fondamental et désintégration (137–142, PF15)
Soustraction du fondamental ; pénétration et ionisation alpha/bêta/gamma ; équations nucléaires ; absorption gamma par le plomb à géométrie fixe CP15 ; désintégration spontanée/aléatoire, activité, demi-vie, équations exponentielles et logarithmiques.
Preuve de demande rétrospective : plans/2026-10-09-edexcel-ial-physics-u5-demand-map.md. L'évaluation de l'Unité 5 est synoptique avec les Unités 1, 2 et 4.
Source : Programme Cambridge International
5.5Mouvements harmoniques simples, graphiques et énergie (143–147, 149–150, PF16)
Force de rappel résultante proportionnelle et opposée au déplacement ; relations signées x,v,a et phase, périodes de ressort/pendule, pentes de graphique, échange d’énergie non amorti et perte d’énergie amortie. CP16 masse inconnue à partir de fréquences de résonance avec masses connues calibrées.
Preuve de demande rétrospective : plans/2026-10-09-edexcel-ial-physics-u5-demand-map.md. L'évaluation de l'Unité 5 est synoptique avec les Unités 1, 2 et 4.
Source : Programme Cambridge International
5.6Oscillations forcées, résonance et amortissement (148, 151–153)
Oscillations libres versus forcées ; fréquences naturelles/de pilotage, résonance/transfert d’énergie ; courbes amplitude-fréquence et amortissement qualitatif ; travail résistif et déformation plastique ductile.
Preuve de demande rétrospective : plans/2026-10-09-edexcel-ial-physics-u5-demand-map.md. L'évaluation de l'Unité 5 est synoptique avec les Unités 1, 2 et 4.
Champs et intensité de champ ; gravitation newtonienne et g radial dérivée, potentiel radial négatif, comparaison des champs gravitationnel et électrique ; variations d’énergie potentielle gravitationnelle ; orbites circulaires et exigences pour les orbites stationnaires.
Preuve de demande rétrospective : plans/2026-10-09-edexcel-ial-physics-u5-demand-map.md. L'évaluation de l'Unité 5 est synoptique avec les Unités 1, 2 et 4.
Source : Programme Cambridge International
5.8Rayonnement stellaire, distances et évolution (161–168)
Courbes corps noir, lois de Stefan-Boltzmann et Wien, luminosité/intensité, rayon versus aire, parallaxe trigonométrique et résolution, chandelles standards, axes/régions HR et cycle de vie stellaire.
Preuve de demande rétrospective : plans/2026-10-09-edexcel-ial-physics-u5-demand-map.md. L'évaluation de l'Unité 5 est synoptique avec les Unités 1, 2 et 4.
Mécanisme Doppler, conventions de décalage vers le rouge en longueur d’onde/fréquence, approximation v/c non relativiste, loi de Hubble et unités, hypothèses temporelles 1/H0, controverse âge/future et matière noire ; éviter de traiter un échantillon comme une portée complète.
Preuve de demande rétrospective : plans/2026-10-09-edexcel-ial-physics-u5-demand-map.md. L'évaluation de l'Unité 5 est synoptique avec les Unités 1, 2 et 4.
Source : Programme Cambridge International
Fiche de cours
From an ice pack to a star
An ice pack, a swinging bridge and a distant star all involve energy. This unit links molecular motion, nuclear changes, oscillations and astronomical observations. The task is often to test a claim, not just calculate a number: state the model, carry units through the calculation, then compare your result with the claim.
WPH15 covers statements 125–171 of Pearson Issue 3. It also uses Units 1, 2 and 4. Work through sheets 5.1–5.9 before their matching authentic sets. Use the supplied constants consistently: $g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}}$, $k_B=1.38\times10^{-23}\ \mathrm{J\,K^{-1}}$ et $G=6.67\times10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}$ unless the question gives a different local value. Here $k_B$ is the Boltzmann constant; $k_s$ denotes a spring constant.
Heating, phase change and thermistor calibration
Follow the energy, not only the temperature
Énergie interne 内能 is the total energy in the random motion and interactions of molecules: random kinetic energy plus intermolecular potential energy. It excludes the kinetic energy of the whole object moving together. Temperature relates to average random molecular kinetic energy, not total internal energy. Two samples at the same temperature can have different internal energies because their amounts and states differ.
Specific heat capacity 比热容$c$ is the energy needed per kilogram for a one-kelvin temperature rise without a change of state. Chaleur latente spécifique 比潜热$L$ is the energy transferred per kilogram during a particular change of state at constant temperature.
A temperature difference of $1\ ^\circ\mathrm C$ equals a difference of $1\ \mathrm K$. Absolute temperatures in gas and radiation laws must be kelvin. During melting or boiling, energy changes molecular arrangements and potential energy while temperature remains constant in the ideal constant-pressure phase change. An ice pack absorbs energy from the food/surroundings as it melts. It does not send “cold energy” into the food.
At constant heating power, steeper temperature–time gradients mean smaller $mc$, provided heat loss is negligible. A flat section does not mean that energy transfer has stopped. For a heater, input energy is $E_{\rm in}=Pt=VIt$; useful thermal energy can be smaller because energy escapes to surroundings.
Worked example. A $0.40\ \mathrm{kg}$ block of ice at $-10\ ^\circ\mathrm C$ melts to water at $0\ ^\circ\mathrm C$. Use $c_{\rm ice}=2100\ \mathrm{J\,kg^{-1}\,K^{-1}}$ et $L_f=3.4\times10^5\ \mathrm{J\,kg^{-1}}$.
Known: mass, initial/final temperatures and material constants. Why: warming the solid and melting it are separate energy transfers.
Worked example. A $1000\ \mathrm W$ heater boils away $0.20\ \mathrm{kg}$ of water in $600\ \mathrm s$. Find efficiency, using $L_v=2.26\times10^6\ \mathrm{J\,kg^{-1}}$.
For repeated kettle loads, calculate total water volume, number of loads and total operating time. Compare energies over the same stated interval. Standby loss over a day and input needed to boil water are different quantities; state what a particular comparison actually establishes.
CP12: calibrate a thermostat
A thermistor 热敏电阻 has resistance that changes with temperature. The usual negative-temperature-coefficient (NTC) thermistor decreases in resistance when heated. In a potential divider 分压器:
With the thermistor as the lower resistor and output measured across it, warming reduces output voltage. Swapping resistor positions reverses that trend. A thermostat switches at a chosen output threshold; the divider alone is not a complete switching device.
For core practical 12, place the thermistor and a reference thermometer close together in a stirred water bath. Keep electrical contacts dry and insulated. At several temperatures across the intended range, wait for thermal equilibrium and record temperature and divider voltage. Keep supply voltage and fixed resistance unchanged. Use a high-input-resistance voltmeter to reduce loading. Plot output against temperature and interpolate the voltage for the chosen switching temperature. Repeat readings or compare warming/cooling to reveal lag. Do not assume a linear calibration without evidence. Use low-voltage electricity and take care with hot water.
CP13: measure latent heat
Supply measured electrical power to a material during its phase change. Measure mass melted or evaporated over a timed interval after conditions stabilise. A balance measures mass change; do not confuse collected liquid volume with mass. Without loss correction, $L=VIt/\Delta m$ assumes all supplied energy causes the phase change.
A useful correction is to compare two powers at the same steady phase-change temperature. If heat-loss power is approximately unchanged, subtracting the two measurements removes it:
$$L=\frac{P_2-P_1}{\dot m_2-\dot m_1}$$
State that constant-loss assumption. A control measurement of melting without the heater is another possible correction in a suitable ice experiment. Reduce heat loss with insulation where safe; avoid splashing, hot surfaces and unsafe mains connections.
Ideal gases and molecular kinetic energy
Kelvin and the ideal-gas model
Absolute zero 绝对零度 is $0\ \mathrm K$, environ $-273\ ^\circ\mathrm C$. It is the lower limit of thermodynamic temperature. In the classical ideal-gas model, average translational kinetic energy tends to zero as temperature tends to zero. Real gases condense before that extrapolation is reached; do not claim molecules in every real material lose all possible energy.
Absolute temperature 绝对温度 is measured in kelvin: $T=\theta_{^\circ\mathrm C}+273$ to the precision normally used here. An ideal gas 理想气体 consists of particles with negligible volume, no intermolecular forces except during elastic collisions, and random motion. Pressure comes from momentum changes at walls.
$$pV=Nk_BT$$
Here $N$ is the number of molecules, not the number of moles. Use pressure in pascals, volume in cubic metres and temperature in kelvin. For a fixed number of molecules:
$$\frac{p_1V_1}{T_1}=\frac{p_2V_2}{T_2}$$
At fixed volume, pressure is proportional to kelvin temperature. At fixed temperature, $pV$ is constant. Include external pressure if a gauge reports pressure relative to the atmosphere.
Worked example. A rigid $2.0\times10^{-3}\ \mathrm{m^3}$ vessel contains gas at $1.0\times10^5\ \mathrm{Pa}$ et $300\ \mathrm K$. Find $N$ and pressure after warming to $360\ \mathrm K$.
If one molecule has mass $m_0$, total gas mass is $Nm_0$. For a sphere, first find $V=4\pi r^3/3$; radius is half the diameter.
Derive the molecular energy relation
The kinetic-theory pressure relation is $pV=\tfrac13Nm_0\langle c^2\rangle$, where $\langle c^2\rangle$ is mean square speed 速率平方的平均值. It follows from elastic momentum changes at a wall and equal mean squared motion in the three perpendicular directions. The root mean square speed 方均根速率 is $c_{\rm rms}=\sqrt{\langle c^2\rangle}$; it is not the square of mean speed.
For a cube of side $l$, one molecule with velocity component $c_x$ changes wall momentum by $2m_0c_x$ at each elastic collision. Its return time to that same wall is $2l/c_x$. Hence its average force is $m_0c_x^2/l$. Sum over molecules and divide by wall area $l^2$:
Random motion is equally distributed among perpendicular directions, so $\langle c^2\rangle=3\langle c_x^2\rangle$. This gives the pressure relation above. Equate the two expressions for $pV$, cancel $N$, then rearrange:
At one temperature, different gas species have equal mean translational kinetic energies, but lighter molecules have greater RMS speeds. If speed doubles at the same temperature, molecular mass is one quarter. Heating increases average molecular kinetic energy; it does not give every molecule the same speed.
CP14: pressure and volume at fixed temperature
Trap a fixed amount of gas in a syringe or calibrated cylinder connected to a pressure sensor. Check calibration and use absolute pressure. Include connecting-tube dead volume where significant. Change volume gradually, wait after each change for temperature to return to the surroundings, then record several pressure–volume pairs. Do not let gas escape. A plot of $p$ contre $1/V$ should be straight through the origin within uncertainty. A $p$–$V$ curve is not straight. Avoid excessive pressure and secure connections. Rapid compression heats the gas and breaks the intended constant-temperature condition.
Binding energy, fission and fusion
Mass deficit is an energy difference
A nucleus contains $Z$ protons and $A-Z$ neutrons. Its mass is smaller than the total mass of these free nucleons. This mass deficit 质量亏损 corresponds to the binding energy 结合能 needed to separate the nucleus completely into free nucleons:
$$\Delta m=Zm_p+(A-Z)m_n-m_{\rm nucleus}\qquad E_b=\Delta m c_0^2$$
Here $c_0$ is the speed of light, distinguished from specific heat capacity. The unified atomic mass unit 统一原子质量单位 is $1\ \mathrm u=1.66\times10^{-27}\ \mathrm{kg}$. Convert all masses to the same unit before subtracting. Nuclear masses and neutral-atom masses are not interchangeable without accounting consistently for electrons. Use the masses the question actually supplies.
$$1\ \mathrm{MeV}=1.60\times10^{-13}\ \mathrm J\qquad \text{binding energy per nucleon}=E_b/A$$
Worked example. A nucleus has mass deficit $0.030\ \mathrm u$ et $A=4$. Find binding energy per nucleon.
The binding-energy-per-nucleon curve rises steeply for light nuclei, peaks near iron/nickel, then decreases gradually for heavy nuclei. Greater binding energy per nucleon generally means nucleons are more tightly bound. It is the vertical value, not just mass number, that matters when comparing points.
Nuclear fusion 核聚变 combines light nuclei. Nuclear fission 核裂变 splits a heavy nucleus into smaller products, often with neutrons. Energy is released when the products have greater total binding energy and smaller total rest mass than the reactants. For a reaction, calculate the total mass difference, not merely a difference of two per-nucleon values. Total energy is conserved.
Fusion needs very high temperature to give nuclei enough kinetic energy to approach despite electrostatic repulsion, and high density/confinement to make enough close encounters and sustain energy release. Temperature and density have different roles. Merely naming “high pressure” does not explain overcoming repulsion.
Radiation, background and decay
Choose radiation by its interaction
Alpha radiation 阿尔法辐射 consists of helium nuclei: strongly ionising, short range and stopped by paper or a few centimetres of air. Beta radiation 贝塔辐射 consists of electrons or positrons: less ionising, more penetrating, typically stopped by a few millimetres of aluminium. Gamma radiation 伽马辐射 is electromagnetic radiation: weakly ionising and highly penetrating; lead or concrete reduces its intensity but does not provide a sharp stopping thickness.
In a cloud chamber, alpha tracks are thick mainly because of strong ionisation, and relatively straight because the particles have large mass compared with beta particles. Beta tracks are thinner and more easily deflected. Do not swap these explanations. Beta radiation can monitor paper thickness because some passes through and some is absorbed; a change in thickness changes the transmitted count rate.
In nuclear equations 核反应方程, conserve nucleon number and charge number. Beta-minus decay converts a neutron to a proton; the mass number stays the same and atomic number increases by one. Include the antineutrino where required, as in Unit 4:
Alpha decay reduces $A$ by four and $Z$ by two. Gamma emission changes neither $A$ nor $Z$. Nuclear equations conserve more than these two numbers: energy and momentum still matter.
Correct background before applying a model
Background radiation 本底辐射 comes from sources such as rocks, cosmic rays and the environment. Measure it for a sufficiently long time with the test source absent. Subtract its count rate from every source-plus-background reading. Keep counting-time units consistent. Corrected detector count rate is proportional to source activity only when geometry and detection efficiency remain unchanged; it is not automatically the activity in becquerels.
Worked example. A detector reads $62\ \mathrm{min^{-1}}$ at distance $r$, including background $14\ \mathrm{min^{-1}}$. Predict total rate at $2r$ for a small isotropic gamma source with negligible absorption.
Do not divide the background by four: it is not all coming from the test source.
Random events, predictable populations
Désintégration radioactive 放射性衰变 is spontaneous: an unstable nucleus decays without an external trigger. It is random: the exact time for an individual nucleus cannot be predicted. A large population has a predictable statistical decay pattern. Activity 放射性活度$A$ is the number of decays per second, measured in becquerels 贝可勒尔, $1\ \mathrm{Bq}=1\ \mathrm{s^{-1}}$.
Le decay constant 衰变常数$\lambda$ is the probability per unit time of decay for a nucleus. The half-life 半衰期$t_{1/2}$ is the time for the undecayed population, or activity, to halve on average.
At one half-life, $N/N_0=1/2=e^{-\lambda t_{1/2}}$. Taking logs gives:
A log-activity–time line has gradient $-\lambda$. Take logarithms of corrected rates, not source-plus-background readings. Read several half-life intervals from a graph and average; measure from the corrected activity level, not from zero total counts.
Worked example. A source has half-life $3.0\ \mathrm{years}$. When will activity fall to $2.0\%$ of its initial value?
Use a fraction, not $2.0$ inside the logarithm. If calculating power from a radioactive source, $P=A E_{\rm decay}$, with energy per decay in joules. This is released nuclear power; useful electrical output may be smaller. Convert the half-life to seconds when activity must be in becquerels.
CP15: absorption of gamma radiation by lead
Keep source, absorber and detector in fixed positions. Measure background, then counts over equal known intervals for several total lead thicknesses. Repeat or extend the counting time because counts fluctuate. Subtract background rate before comparing transmission. If each equal thickness gives the same fractional reduction, the attenuation is exponential; a graph of log corrected rate against thickness is approximately straight. Three half-value thicknesses transmit $1/8$, not $1/3$.
The material-absorption constant is not the time-decay constant of the source. Avoid readings too close to background, where subtraction gives large relative uncertainty. Handle sources with the specified tools under supervision, keep distance, minimise exposure time and return them to shielding. Never touch a source or direct it at people. Keep lead handling clean and wash hands.
Simple harmonic motion, graphs and energy
The restoring condition
Mouvement harmonique simple 简谐运动 (SHM) occurs when resultant acceleration is proportional to displacement from a fixed equilibrium position and directed towards it:
The negative sign is the restoring direction. Constant speed, repetition alone or a force merely pointing towards a centre does not establish SHM. For a vertically hanging spring, measure $x$ from the loaded equilibrium position. Weight is already balanced there; the resultant for displacement is $-k_sx$.
For release from positive maximum displacement at $t=0$:
Here $A_0$ is amplitude, not radioactive activity. The phase depends on the chosen starting time; a sine displacement can describe the same motion with another origin. Differentiate graphically: the displacement–time gradient is velocity, and velocity–time gradient is acceleration. At maximum displacement, speed is zero and acceleration points back towards equilibrium. At equilibrium, speed is greatest and acceleration is zero.
Worked example. A graph gives amplitude $0.030\ \mathrm m$ and period $0.50\ \mathrm s$. Find maximum speed and acceleration.
Alternatively find maximum speed from a tangent to the displacement graph at equilibrium. Convert centimetres to metres. A negative straight $a$–$x$ gradient is $-\omega^2$, so take its negative before the square root.
Periods and energy
For a mass on an ideal spring and for a simple pendulum at small angles:
Pendulum length is pivot to bob centre. The small-angle period does not depend on bob mass. A period ratio for one unchanged spring gives $T_2/T_1=\sqrt{m_2/m_1}$. Use total new mass before finding added mass.
Worked example. A $0.50\ \mathrm{kg}$ mass has period $0.80\ \mathrm s$. An extra mass increases the period to $1.00\ \mathrm s$ on the same spring.
Thus the $E_k$–$x$ graph is an inverted parabola: zero at $\pm A_0$, positive maximum at $x=0$. The $E_p$–$x$ graph opens upwards. Their sum is constant in the undamped model. In a damped system energy is transferred out, so amplitude decreases. Total energy including surroundings remains conserved.
CP16: infer an unknown mass from resonance
Keep the same spring/support system. Attach several known masses, drive with small oscillations and vary frequency to find the largest steady amplitude for each mass. Record the resonant frequency, repeating slowly around each peak. With light damping it approximates natural frequency. Plot $1/f^2$ against total known mass; the spring model gives gradient $4\pi^2/k_s$. Use the calibration to infer an unknown mass from its resonant frequency.
Account for a hanger and, where significant, the effective moving mass of the spring. A nonzero intercept may represent this contribution; do not force the line through the origin without justification. Keep amplitudes small and below the elastic limit. Secure masses and stand, and keep feet clear. Measuring free periods can provide a useful independent comparison, but the specified practical uses resonant frequencies.
Forced oscillations, resonance and damping
A free oscillation 自由振动 follows an initial disturbance without continued periodic driving. A forced oscillation 受迫振动 is maintained by a periodic driving force; its steady frequency is the driving frequency. Fréquence naturelle 固有频率 is the frequency of free oscillation for the system under the stated conditions.
Resonance 共振 occurs when driving frequency is at or near natural frequency, giving efficient energy transfer and a large steady amplitude. It does not mean “maximum frequency”. For a lightly damped system, the amplitude peak is near the undamped natural frequency. Greater damping lowers and broadens the peak; do not present every damped peak as exactly at the undamped natural frequency.
Damping 阻尼 transfers energy away from oscillation, for example through resistive work that increases the thermal energy of dampers and surroundings. Stronger damping can reduce dangerous bridge/building motion. Plastic deformation 塑性形变 of a ductile material also absorbs mechanical energy irreversibly; purely elastic deformation returns stored energy and is not the same mechanism.
Worked explanation. People walking supply a periodic driving force to a bridge. If its frequency is near a natural frequency, energy transfers efficiently into the bridge and amplitude increases. Dampers do work against motion, transferring oscillation energy to thermal stores, so the steady amplitude is limited. Link cause and effect in this order rather than listing “resonance, energy, damping”.
For the same shape and amplitude, adding mass to a light pendulum increases its stored mechanical energy while the small-angle ideal period remains unchanged. Under comparable resistive losses it can lose a smaller fraction of energy per cycle. That contextual damping comparison does not prove that every heavier oscillator always damps more slowly.
Gravitational fields and orbits
Field and potential have different meanings
A gravitational field 引力场 is a region where a mass experiences a force. Gravitational field strength 重力场强度$g=F/m$ is force per unit test mass. It is a vector pointing towards an isolated source mass. Newton's law for point masses, or outside a spherical symmetric source, is:
$r$ is centre-to-centre distance, not height above the surface. For near-Earth local motion, constant $g$ can be suitable. Over large radial distances it is not constant.
Potentiel gravitationnel 引力势 is potential energy per unit mass, with zero at infinity:
Potential is a scalar and negative at finite distance. Moving outward makes it less negative, so potential energy increases while attractive force weakens. A potential graph value and its corresponding radius give $M=-Vr/G$.
Gravity and electric fields are both radial for isolated point sources and their force magnitudes obey inverse-square laws. Gravity acts on mass and is attractive in this model. Electric force acts on charge and can attract or repel. Electric field direction follows the force on positive test charge; a negative charge is forced oppositely.
Worked example. A $1000\ \mathrm{kg}$ satellite moves from radius $r_1=6.4\times10^6\ \mathrm m$ à $r_2=1.28\times10^7\ \mathrm m$ around Earth, $M=6.0\times10^{24}\ \mathrm{kg}$. Find its potential-energy change.
The positive sign is final minus initial. This is not the total launch energy, since kinetic energy may also change. $mg\Delta h$ with constant surface $g$ is unsuitable over this distance.
Derive a circular orbit
The gravitational force supplies the inward resultant:
Orbiting mass cancels. The period grows with radius. To appear stationary above one point on a rotating planet, a satellite needs a circular equatorial orbit, the same rotational direction and matching angular velocity/period. Matching period alone is insufficient.
Worked example. Pour $GM=4.00\times10^{14}\ \mathrm{m^3\,s^{-2}}$ and period $T=8.64\times10^4\ \mathrm s$, find stationary-orbit radius.
Subtract planet radius only if asked for height above the surface. For a star's surface field, use its radius, not its listed diameter; test a multiple-of-Earth-field claim by calculating the ratio.
Stellar radiation, distances and evolution
Temperature, luminosity and received intensity
A black body 黑体 absorbs all incident electromagnetic radiation and is an ideal thermal emitter. Its continuous spectrum has a characteristic shape. Increasing temperature increases total emitted power per unit area and moves the wavelength peak to shorter wavelength. The area under a spectral-intensity curve represents total intensity only with the appropriate spectral-axis definition.
Luminosity 光度$L_\star$ is total power emitted. Intensity 强度$I$ received at distance $d$ is power per unit receiving area. For a spherical black-body star of radius $R$ radiating equally in all directions:
The first area is the emitting surface; the second is the expanding receiving sphere. Do not substitute observer distance into the star's surface area. Real emitters may not be perfect black bodies, and intervening material can absorb radiation.
Wien's stated constant describes a spectrum per unit wavelength. A maximum of a spectrum plotted per unit frequency does not transform into that wavelength maximum simply by replacing $\lambda$ with $c_0/f$. If an exam gives the frequency corresponding to its specified wavelength peak, convert that given wavelength using $c_0=f\lambda$. Do not turn that particular task convention into a general rule for every spectral plot.
Worked example. A star's wavelength spectrum peaks at $580\ \mathrm{nm}$ and its radius is $7.0\times10^8\ \mathrm m$. Find temperature, luminosity and intensity at $1.5\times10^{11}\ \mathrm m$.
Keep unrounded temperature because it is raised to the fourth power. Compare the received intensity with the stated reference before accepting a planetary-temperature or power claim.
Two distance methods
Trigonometric parallax 三角视差 measures a nearby star's apparent angular shift against distant background stars as Earth moves around the Sun. Observations six months apart use a baseline of two Earth-orbit radii. The parallax angle $p$ is half the total shift. For small $p$ in radians, distance is $d\approx r_{\rm orbit}/p$. A parsec 秒差距 is the distance giving parallax $1$ arcsecond; $d_{\rm pc}=1/p_{\rm arcsec}$. Do not use the diameter of Earth or Sun as the orbital baseline.
At large distance, $p$ becomes too small for the instrument to measure accurately. The limitation is angular resolution/relative uncertainty, not necessarily that the star is invisible.
A standard candle 标准烛光 is an object of known luminosity. Identify one in a cluster, measure received intensity and use $d=\sqrt{L_\star/(4\pi I)}$. Its apparent brightness is not assumed known beforehand. Cepheid variable stars have a calibrated relationship between period and luminosity. Measure several complete light-curve periods, divide by their number, read the calibration carefully and convert any solar-luminosity units. A straight line on log axes is not automatically a linear relationship between the raw quantities.
Worked example. A standard candle has $L_\star=4.0\times10^{28}\ \mathrm W$ and received intensity $2.0\times10^{-10}\ \mathrm{W\,m^{-2}}$.
A Hertzsprung–Russell diagram 赫罗图 plots luminosity vertically against surface temperature horizontally, usually with temperature decreasing to the right and logarithmic scales. The main sequence 主序星带 runs from hot, bright stars at upper left to cool, faint stars at lower right. Red giants 红巨星 are cool but luminous because of their large surface areas. White dwarfs 白矮星 are hot but faint because of their small surface areas. Mark the Sun near one solar luminosity and about $5800\ \mathrm K$ on the main sequence.
Stars form when gravity contracts a cloud of gas and dust. The core heats until hydrogen fusion can sustain a main-sequence star; outward pressure balances gravity. In a Sun-like star, core hydrogen eventually runs low, fusion there decreases and gravity contracts the core. Core temperature rises; shell hydrogen burning and later helium fusion are associated with expansion to a red giant. Outer layers are lost, leaving a white-dwarf core with no sustained fusion. It cools over a very long time. The Sun does not become a supernova or a neutron star.
A much more massive star can fuse heavier elements through later stages. When its core can no longer gain energy from fusion, collapse and a supernova can leave a neutron star or black hole, depending on the remnant. A massive main-sequence star has more fuel but consumes it much faster because of its hotter core. Its main-sequence lifetime can therefore be shorter. Explain fusion rate, not just fuel amount. An HR track shows changing temperature/luminosity, not a star travelling across space.
Doppler shifts and cosmology
Compare the same spectral line
Le Effet Doppler 多普勒效应 is a change in observed frequency/wavelength caused by relative motion along the line of sight. Successive wavefronts arrive farther apart from a receding source and closer together from an approaching source. Recession gives longer wavelengths and lower frequencies; approach gives shorter wavelengths and higher frequencies. Motion purely perpendicular to the line of sight is not the recession speed in the simple model.
For electromagnetic radiation at low recession speeds:
Redshift 红移$z$ is positive for recession. For small shifts, its magnitude also approximately equals the fractional decrease of observed frequency relative to emitted frequency. State the sign convention: $(f_{\rm observed}-f_{\rm rest})/f_{\rm rest}$ is negative for recession. Do not equate a positive redshift to a signed frequency increase. The approximation $v/c_0$ is not a general high-speed relativistic formula.
Worked example. A line emitted at $500\ \mathrm{nm}$ is observed at $505\ \mathrm{nm}$.
To use a star's absorption lines, recall Unit 2: photons are absorbed only when their energies match allowed atomic-level differences. Compare the same identified spectral line, not two different elements.
For opposite limbs of a rotating star, one approaches while the other recedes. If their shifts are equal and opposite, the separation of the two observed wavelengths is twice the shift of either limb. Halve that separation before finding the equatorial speed. Then use $T=2\pi R/v$. This assumes the observed line-of-sight limb speed represents the equatorial rotation speed under the stated viewing geometry.
Hubble law and its limits
On large cosmological scales, recession speed approximately follows Loi de Hubble 哈勃定律:
$$v=H_0d$$
Le Hubble constant 哈勃常数$H_0$ has units of inverse time. In $\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$, convert kilometres to metres and megaparsecs to metres before taking its reciprocal in seconds. Nearby objects may have local motions that do not follow the large-scale relationship.
Worked example. Use $H_0=70\ \mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ et $1\ \mathrm{Mpc}=3.1\times10^{22}\ \mathrm m$ to estimate an expansion timescale.
The reciprocal is the Hubble time 哈勃时间. Interpreting it as an age assumes a model for the past expansion rate; it is not an exact model-independent age. A larger $H_0$ gives a smaller reciprocal timescale. Evidence for expansion supports an earlier denser, hotter universe; it does not describe an explosion into an already empty centre-surrounding space.
Dark matter 暗物质 is inferred from gravitational effects that visible matter alone does not explain, such as galaxy rotation and motion. It need not emit detectable light. The amount of gravitating matter affects how expansion changes, so uncertainty in matter content and the expansion model affects predictions of the universe's fate. Do not infer that one measurement of $H_0$ alone proves perpetual expansion or future collapse. Modern models also consider dark energy; outcome 171 specifically requires understanding the controversy concerning $H_0$, dark matter, age and fate, rather than memorising one unqualified prediction.
Vérifiez-vous
Why can internal energy increase without temperature increasing during a phase change?
A fixed amount of gas warms in a rigid vessel. Which temperature scale must be used to compare pressures?
Does greater binding energy per nucleon mean that less or more energy is needed to separate each nucleon on average?
Why must background be subtracted before using a count-rate ratio or logarithm?
An $a$–$x$ line has gradient $-25\ \mathrm{s^{-2}}$. Find angular frequency.
Why is maximum SHM speed at equilibrium although acceleration is zero there?
Why can a damped bridge be driven at the same frequency but oscillate with a smaller amplitude?
Does lifting a satellite to a larger radius increase or decrease its signed gravitational potential energy?
A star is hot but faint. Which HR region is plausible, and what can explain its low luminosity?
When using the wavelength separation of opposite rotating limbs, why is a factor of two needed?
Answers: (1) molecular potential energy changes; (2) kelvin; (3) more; (4) background does not follow the source's decay/distance law; (5) $\omega=\sqrt{25\ \mathrm{s^{-2}}}=5.0\ \mathrm{rad\,s^{-1}}$; (6) restoring resultant is zero there but energy is mostly kinetic; (7) greater energy loss limits steady amplitude; (8) increases towards zero; (9) white dwarf, small emitting surface; (10) one limb is blueshifted while the other is redshifted.
Two students measure the same damped pendulum. One records amplitudes; the other records amplitudes, processes them with logarithms, draws one straight line and reads off a decay constant and an initial amplitude. The second student has turned raw readings into a result. Unit 6 tests exactly that step.
WPH16 Practical Skills in Physics II is a written paper about the experiments you met while studying Units 4 and 5: gas laws, capacitors, damped oscillations, radioactive decay, light intensity. It lasts 80 minutes and has 50 marks. All questions are compulsory, and at least 20 marks use Level-2 mathematics. A written guide supports real laboratory work; it does not replace carrying out experiments yourself.
The four skill sheets follow the paper's own flow: plan the investigation, carry it out and judge the measurements, then process the data with uncertainties and graphs.
6.1
Planning an A2 investigation
Programme
Pearson Edexcel IAL Physique Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.38–40 et Appendice 10 pp.75–81. Il s’agit de subdivisions locales d’enseignement, pas d’énoncés officiels numérotés du programme.
Planification d'investigations A2 (section de spécification 6.3 avec l'accent sur les graphiques logarithmiques de la section 6.1) : identifier le matériel avec sa plage et sa résolution ; discuter de l'étalonnage et des vérifications zéro ; décrire les techniques de mesure ; identifier et contrôler les autres variables ; juger des répétitions ; traiter la santé et la sécurité ; expliquer comment les données seront utilisées. En A2, le cheminement de traitement est choisi avant que la méthode ne soit rédigée : tester une loi de puissance avec un graphique log/log ou un graphique linéarisant, extrapoler une droite vers une limite physique (par exemple zéro absolu), et construire des circuits qui mesurent ce dont l'investigation a besoin (emplacement du voltmètre, ampèremètre en série, moyens de varier le courant, interrupteur à deux positions). Justifier les améliorations telles que les enregistreurs de données par leur effet sur la résolution, la parallaxe ou la simultanéité des lectures.
Source : Programme Cambridge International
A valid measurement 有效测量 still means measuring what you intend to measure. At A2 the plan has one extra demand: decide how the data will be processed avant writing the method. The graph you intend to draw decides how many readings you need and where you take them.
Choose the graph before the method
Suppose you must test a predicted relationship. Work backwards:
Write the model, for example $P = kX^4$ ou $A = A_0\mathrm{e}^{-\lambda n}$.
Rearrange it into the straight-line form $y = mx + c$. This step is linearisation 线性化: choose a plot such as $P$ contre $X^4$, $\ln A$ contre $n$, or $\lg P$ contre $\lg X$.
State what the graph proves: a straight line through the origin for $P$ contre $X^4$, or gradient 斜率$4$ on the log graph 对数图像 of $\lg P$ contre $\lg X$.
Then choose the readings: at least five well-spread settings of the quantity you change.
A plan without its graph is an unfinished plan. The paper's six-mark "devise a method" questions expect the graph to appear in the answer.
Worked planning example: absolute zero from a gas flask
A flask of fixed air volume carries a pressure gauge and a thermometer. Predict how to estimate absolute zero.
Known aim: the pressure of a fixed mass of gas falls linearly with temperature and reaches zero at absolute zero. Why this route: the zero-pressure point cannot be reached in water baths, but a straight line can be extended to it.
Use a beaker of water with ice for $0\ ^\circ\mathrm{C}$ and a hot plate (or Bunsen burner) to raise the temperature to boiling. Stir so the water shares one temperature.
Place the thermometer close to the flask, on the side away from the heater, and read the scale perpendicular to it.
Record paired pressure and temperature readings at a minimum of five temperatures, spaced no more than about $20\ ^\circ\mathrm{C}$ apart. These are new settings, not repeats of one setting.
Plot pressure against temperature in $^\circ$C, draw the best-fit line 最佳拟合线 et extrapolate 外推 it to $p = 0$. The intercept 截距 on the temperature axis estimates $-273\ ^\circ$C.
Extrapolation extends a straight line beyond the measured range; the measured points themselves stay between ice and boiling water.
The extrapolated answer depends on the fitted line, so scatter matters more here than in a single reading. That is the price of a point you cannot measure directly.
Worked planning example: testing a power law
A light sensor a fixed distance from a filament bulb reads $X$; the electrical power is predicted to follow $P = kX^4$.
Control what else changes $X$: keep the bulb-sensor distance and alignment fixed, and work in a darkened space so background light does not add to the reading.
Measure the current $I$ and potential difference $V$ at each setting, and calculate $P = IV$.
Take at least five settings by changing the current, then choose one of two graphs:
$$\lg P = \lg k + 4\lg X \qquad \text{or} \qquad P = k\,(X^4)$$
A graph of $\lg P$ contre $\lg X$ should be straight with gradient $4$. A graph of $P$ contre $X^4$ should be straight through the origin. Either answers the question; name the expected gradient or origin when you claim the test.
A power law becomes a straight line on log/log axes; the gradient is the power.
The specification's own example is a gas: plot an appropriate log/log graph of pressure against volume for a fixed mass at constant temperature. Log graphs are not only for exponential decay.
Circuits that measure what the investigation needs
An investigation of a component needs both meters in the right places:
an ammeter 电流表 in series with the component, so the same current flows through it;
a voltmeter 电压表 in parallel with the component under test only, so it reads that component's potential difference;
a way of changing the current: a variable resistor or potentiometer, in series with a fixed supply.
If the voltmeter straddles two components, the reading no longer belongs to the thing you are investigating. When a two-position switch moves a charged capacitor to a new circuit, draw the voltmeter across the one capacitor the question names, and connect the second capacitor in parallel with it.
Electrolytic capacitors add their own safety rules: connect with the correct polarity, keep the supply below the working voltage, and discharge the capacitor before handling it.
Data loggers and safety, with reasons
A data logger 数据采集器 with probes records pairs of readings at the same moment, removes parallax 视差 from scale reading, and its probes usually have a better resolution 分辨率 than a liquid-in-glass thermometer. Say which of these changes improves the measurement; "more accurate" alone names no mechanism.
Safety answers follow the same rule: name the hazard and the action. Hot water and immersion heaters burn — move glass with tongs or heat-proof gloves, and clamp the heater so its leads cannot topple the beaker. Switch off before removing anything electrical.
Pearson Edexcel IAL Physique Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.38–40 et Appendice 10 pp.75–81. Il s’agit de subdivisions locales d’enseignement, pas d’énoncés officiels numérotés du programme.
Mise en œuvre et critique des mesures (section de spécification 6.4) : commenter les améliorations apportées par du matériel supplémentaire (équerres, marqueurs temporels) ; juger du nombre et de la plage des relevés ; corriger les chiffres significatifs et les unités dans les tableaux de résultats ; identifier les relevés incohérents à partir de tableaux et de graphiques ; choisir une résolution d'enregistrement adaptée à ce qui peut être réellement jugé (par exemple amplitude au millimètre près 5) ; appliquer des techniques de chronométrage pour les oscillations (plusieurs périodes, marqueur au centre de l'oscillation, démarrage après plusieurs oscillations) ; appliquer la technique du pied à coulisse et du micromètre (différentes orientations avec une moyenne, correction de l'erreur zéro, utilisation du cliquet) ; compléter et critiquer les circuits et les graphiques tracés ; indiquer la sécurité spécifique aux composants, comme la polarité des condensateurs électrolytiques, la tension nominale et la décharge.
Source : Programme Cambridge International
Record what you can actually judge
A damped pendulum swings past a rule, and its turning points move quickly. Judging the amplitude to the nearest $1\ \text{mm}$ claims a precision the eye cannot deliver, especially viewing the scale at an angle or with the bob far from the rule. Recording to the nearest $5\ \text{mm}$ matches the recording to what can honestly be judged.
This is a two-way skill: criticise a recording resolution that is too fine, and justify a coarse one with the reason it is appropriate.
Timing oscillations
Measure the time for many oscillations, then divide. The reaction-time uncertainty is nearly the same whether you time one swing or ten, so a larger measured time gives a smaller percentage uncertainty in the period.
Two techniques earn marks on their own:
put a timing marker 计时标记 at the centre of the oscillation and time passes through it, because the mass moves fastest there and the moment of passing is clearest;
start the timer only after several oscillations, when the motion has settled, and use a small initial displacement.
For the period itself, record repeats of the total time, take the mean, and only then divide by the number of swings.
Length instruments at A2
The Unit 3 techniques still earn the marks, now with reasons attached:
measure a spring or cylinder diameter with calipers at several orientations 方位 around the coil or cross-section and average, because a real object is not perfectly round (this attacks random variation 随机变化);
check the zero reading with the jaws closed and subtract a zero error, because it shifts every reading the same way (this attacks a systematic error 系统误差);
use the micrometer ratchet so the jaws tighten the same amount each time.
Justifying an instrument is quantitative: a micrometer resolves $0.01\ \text{mm}$, so a single $1.21\ \text{mm}$ slide has an uncertainty of $0.005\ \text{mm}$. Its percentage uncertainty 百分比不确定度 is:
A small percentage uncertainty is the justification; "it is accurate" is not.
Criticising tables and graphs
For a table of results, check:
significant figures 有效数字: raw readings use the same decimal places as the instrument's resolution; processed values for plotting are commonly $3$ significant figures. A column mixing $5.1$ with $5.143$ has a fault to name.
unités: every column heading carries its unit, once, in the heading.
values that stand outside the pattern of the others, judged against the graph as well as the table.
For a plotted graph, the examiner's checklist is short:
enough data points, spread over more than half of each axis, on scales that are not awkward (multiples of $3$ ou $7$ are hard to read);
points plotted to within $1\ \text{mm}$ (half a small square);
a thin, continuous best-fit line that balances the scatter;
whether the points actually support a straight line at all.
Criticising a graph is not listing everything you know. Point at the actual defect: five points crowded into a quarter of the grid, or a gentle curve drawn as a line.
Pearson Edexcel IAL Physique Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.38–40 et Appendice 10 pp.75–81. Il s’agit de subdivisions locales d’enseignement, pas d’énoncés officiels numérotés du programme.
Incertitudes composées et conclusions justifiées (section de spécification 6.5 puces relatives aux incertitudes, Appendice 10) : estimer l'incertitude de lecture unique comme la moitié de la résolution de l'instrument et l'incertitude de lecture répétée comme la moitié de l'amplitude (ou la valeur la plus éloignée de la moyenne) ; exprimer les incertitudes en pourcentage avec un ou deux chiffres significatifs. Composer correctement les incertitudes en pourcentage : multiplier par la puissance pour une grandeur élevée à une puissance, additionner les incertitudes en pourcentage pour les produits et quotients, additionner les incertitudes absolues pour les sommes et différences. Utiliser une incertitude finale comme un intervalle et comparer une valeur connue ou issue d'un manuel de données avec cet intervalle, ou comparer la différence en pourcentage avec l'incertenance en pourcentage ; déclarer ce que la comparaison soutient sans surestimer l'unicité.
Source : Programme Cambridge International
Unit 6 expects compounded uncertainties 复合不确定度, which Unit 3 did not. The rules come from the specification's Appendix 10.
The building blocks
A single reading has an uncertainty of half the instrument's resolution. Repeated readings have an uncertainty of half the range (the reading furthest from the mean is an accepted alternative). A percentage uncertainty is:
Quote percentage uncertainties to one or two significant figures. Halving or doubling a measured quantity leaves its percentage uncertainty unchanged, which is why percentages, not absolute values, are the working currency.
The three compounding rules
A power multiplies the percentage uncertainty. If $A = \pi r^2$ et $r$ has $0.6\%$ uncertainty, then $A$ has $2\times0.6\% = 1.2\%$. A diameter and its radius share the same percentage uncertainty.
Products and quotients add percentage uncertainties. Densité $\rho = m/l^3$ from $m$ with $0.1\%$ et $l$ with $2.1\%$ gives $3\times2.1\%+0.1\% = 6.4\%$.
Sums and differences add absolute uncertainties. Subtracting two heights measured to $\pm0.5\ \text{mm}$ each gives $\Delta h = \pm1\ \text{mm}$, even though the heights themselves are several hundred millimetres.
The third rule is why differences of similar measurements carry large percentage uncertainties, and it combines with the first two: the percentage uncertainty of $D^2/(2d^2)$ is $2\times\%U(D) + 2\times\%U(d)$.
Worked example: the ramp measurement of g
A sphere rolls a distance $s$ down a ramp of height difference $\Delta h$ in time $t$, where:
$$t^2 = \frac{14s^2}{5g\,\Delta h} \qquad\Rightarrow\qquad g = \frac{14s^2}{5t^2\Delta h}$$
Known: $s = 90.0\ \text{cm}\pm0.1\ \text{cm}$, $\Delta h = 21\ \text{mm}\pm1\ \text{mm}$, $t = 3.36\ \text{s}\pm0.03\ \text{s}$. Why these rules: $s$ et $t$ are squared (powers), and the quantities are multiplied and divided.
Both routes end in a sentence that states what the evidence supports. A value of $\nu = 0.276\pm6\%$ spans $0.259$ à $0.293$; a data-book $0.265$ for steel falls inside, so the spring could be steel. That is the honest strength of the claim — the interval does not prove it is steel, only that steel is not excluded.
Pearson Edexcel IAL Physique Édition 3 (juillet 2021), pages imprimées pp.38–40 et Appendice 10 pp.75–81. Il s’agit de subdivisions locales d’enseignement, pas d’énoncés officiels numérotés du programme.
Graphiques logarithmiques et linéarisation (section de spécification 6.5 puces relatives aux graphiques avec la section 6.1) : linéariser une relation exponentielle avec les logarithmes naturels (forme ln y = ln y0 − kt), y compris les unités et les signes ; linéariser une loi de puissance y = kx^n en traçant lg y contre lg x (pente n, ordonnée à l'origine lg k) ou en traçant contre x^n ; traiter les données à trois décimales constantes pour le tracé ; étiqueter les axes logarithmiques avec la quantité exacte qui a été logarithmée ; tracer avec des échelles appropriées, dessiner une ligne de tendance et calculer la pente à partir d'un grand triangle ; convertir une pente ou une ordonnée à l'origine en grandeurs physiques (par exemple e élevé à la puissance d'une ordonnée à l'origine) ; utiliser une relation ajustée pour prédire une nouvelle condition (comptages entiers de glissières, réductions en pourcentage) ; juger de la validité de l'extrapolation à partir de la dispersion, d'une erreur systématique possible ou de l'absence de données près de l'ordonnée à l'origine.
Source : Programme Cambridge International
Straighten an exponential with ln
A damped pendulum's amplitude follows $A = A_0\mathrm{e}^{-\lambda n}$, where $n$ counts oscillations. Take the natural logarithm of both sides:
$$\ln A = \ln A_0 - \lambda n$$
Compare this with $y = c + mx$: a graph of $\ln A$ contre $n$ is straight, with gradient $-\lambda$ and intercept $\ln A_0$. The minus sign is part of the physics — amplitude decays, so the line slopes down.
Worked example. The line's intercept is $2.295$ and its gradient is $-0.0355$.
Known: intercept $=\ln A_0$, gradient $=-\lambda$. Why: $A$ was measured in centimetres, so $\ln(A/\text{cm})$ was plotted.
$\lambda$ has no unit because $n$ is a count. Had $n$ been time in seconds, $\lambda$ would carry $\text{s}^{-1}$.
Processing discipline: compute $\ln$ of every value to a consistent $3$ decimal places, label the axis with the exact quantity logged — $\ln(A/\text{cm})$, not "$\ln A$" with a unit bolted on — and take the gradient from a large triangle 大三角形 covering more than half the drawn line, using points on the line rather than data points off it.
When the intercept is an extrapolation
$A_0$ sits at $n = 0$, where there is no data if the first reading was taken at $n = 5$. The intercept is then only as good as the fitted line:
large scatter leaves the best-fit line uncertain, moving the intercept;
a systematic error in amplitude shifts the whole line;
the pendulum's first swings may not follow the model (a large starting angle stretches the period and distorts early amplitudes).
"Extrapolating beyond the data assumes the model still holds" is the sentence that earns the mark. Say which of these applies to the experiment in front of you.
Use the fitted line to predict
A fitted relation answers questions the raw table cannot. If $\ln V = \ln A - Bw$ for light passing through glass, and the line gives $B = 0.0104\ \text{mm}^{-1}$, the thickness $w$ needed to dim a reading to $75\%$ follows without touching the apparatus again:
With slides of $1.22\ \text{mm}$ each, that is $27.7/1.22 = 22.7$, so $23$ slides — round en ligne, because $22$ slides would not reach the required dimming. Prediction questions test the direction of the final rounding as much as the algebra.
Straighten a power law with lg
Pour $y = kx^n$, taking base-10 logarithms gives:
$$\lg y = \lg k + n\lg x$$
A graph of $\lg y$ contre $\lg x$ is straight with gradient $n$ and intercept $\lg k$. Use it when no power of $x$ makes a convenient linear axis, and keep the base consistent: $\lg$ for the power-law plot, $\ln$ for the exponential one. Both operate on the number after the unit is divided out, so the axis label is $\lg(P/\text{W})$, never $\lg P$ with watts attached.