Pearson Edexcel · International GCSE · Physics

Describing and explaining motion

Physics begins with movement. This first section builds the toolkit: graphs that describe motion, the equations that link speed, acceleration and distance, the forces that cause every change, and (P) the momentum and moments that explain crumple zones and balanced beams.

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 1 (statements 1.1–1.33P). P-suffixed statements are the separate-science extension, assessed on Paper 2P; units to learn include the newton (N) and, (P), the newton metre and kg m/s.

Movement and position

Average speed = distance moved ÷ time taken. On a distance–time graph the gradient is the speed: a straight sloping line is steady speed, a curve is acceleration, a flat line is at rest. Acceleration 加速度 is the change of velocity per second:

On a velocity–time graph the gradient is acceleration and the area between the line and the time axis is the distance travelled.

Worked check. A car accelerates from 4 m/s to 16 m/s in 6 s: $a = (16 - 4)/6 = 2\ \mathrm{m/s^2}$. Distance covered $= \frac{1}{2}(4 + 16) \times 6 = 60$ m.

Forces and movement

Forces change a body's speed, shape or direction. Force is a vector 矢量 (size + direction); scalars like speed have only size. Along a line, forces add: two 5 N pulls against one 8 N pull give a resultant force 合力 of 2 N. Friction 摩擦 opposes motion. The unbalanced force causes acceleration:

Worked check. A 1200 kg car with a driving force of 3600 N against 1200 N of drag: $F = 2400$ N; $a = 2400/1200 = 2\ \mathrm{m/s^2}$. Weight at $g = 10$ N/kg: $W = 1200 \times 10 = 12\,000$ N.

Stopping distance = thinking distance + braking distance. Thinking grows with speed and reaction time (tiredness, alcohol, phones); braking grows with speed squared, mass, weak brakes, poor grip (wet or icy roads, worn tyres).

Falling objects accelerate while weight exceeds drag; as speed rises, drag rises, the resultant falls, until weight = drag — terminal velocity 终末速度.

Forces and shape

A spring stretches with load. In the initial linear region, extension is proportional to force — Hooke's law 胡克定律; beyond the limit of proportionality it bends away. Elastic behaviour 弹性 recovers the original shape when the force is removed. Practical: hang masses on a spring (or rubber band), plot force against extension.

Momentum and moments (P)

Momentum 动量 (kg m/s) is conserved in collisions: total before = total after. Safety features work by stretching the time of a collision, so for the same momentum change the force is smaller — crumple zones, seat belts, airbags. Newton's third law: to every action there is an equal and opposite reaction.

Moment 力矩 = force × perpendicular distance from the pivot. A beam balances when clockwise moments = anticlockwise moments; the weight of a body acts through its centre of gravity 重心.

Worked check. Two children (300 N at 0.4 m, 200 N at 0.6 m from the pivot) on a see-saw: clockwise $200 \times 0.6 = 120$ N m; anticlockwise $300 \times 0.4 = 120$ N m — balanced.

Check yourself

1. What does the gradient of a distance-time graph give, and of a velocity-time graph?
2. A cyclist covers 900 m in 3 minutes. Calculate the average speed in m/s.
3. Calculate the acceleration from 30 m/s to rest in 5 s.
4. State the equation linking unbalanced force, mass and acceleration, and its unit.
5. Name two factors that lengthen the thinking distance and two that lengthen the braking distance.
6. Explain, in terms of forces, why a skydiver reaches terminal velocity.
7. State Hooke's law.
8. (P) A 60 kg runner at 8 m/s: calculate momentum.
9. (P) Explain how a crumple zone protects passengers.
10. (P) What is the moment of a 50 N force at 0.3 m from the pivot?

Answers: 1 speed; acceleration (and the area under the velocity-time line is distance); 2 $900/180 = 5$ m/s; 3 $a = (0 - 30)/5 = -6\ \mathrm{m/s^2}$ (deceleration of 6 m/s²); 4 F = ma, with F in newtons; 5 thinking — higher speed, longer reaction time; braking — higher speed (speed²), mass, poor brakes/tyres, wet or icy roads; 6 drag rises with speed until it equals the weight — resultant and acceleration reach zero, so velocity is constant; 7 extension is proportional to force, up to the limit of proportionality; 8 (P) $p = 60 \times 8 = 480\ \mathrm{kg\,m/s}$; 9 (P) it crumples, lengthening the collision time; force = momentum change ÷ time, so a longer time means a smaller force on the passengers; 10 (P) $50 \times 0.3 = 15$ N m.

The energy you cannot see

Press a switch and a room lights. Between the power station and the lamp stands everything in this section: how domestic wiring keeps you safe, how voltage drives current through circuits, and — (P) — how electrons rubbed from one surface to another make charges that attract, repel and sometimes spark.

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 2 (statements 2.1–2.28P). Units: ampere (A), coulomb (C), joule (J), ohm (Ω), volt (V), watt (W). P-suffixed statements are the Physics-only extension, assessed on Paper 2P.

Mains electricity

Mains electricity is alternating current (a.c.) 交流电 — direction reverses many times a second; a cell gives direct current (d.c.) 直流电 — one direction only.

Safety: insulation on wires; double insulation (plastic casing, no earth needed); earthing 接地 (a low-resistance path so a fault current blows the fuse); fuses 保险丝 and circuit breakers 断路器 (melt or trip on excess current, protecting wiring and people). Current in a resistor transfers electrical energy to thermal energy — the point of kettles and heaters, and the reason fuse ratings matter:

Worked check (fuse choice). A 230 V, 1.15 kW heater draws $I = P/V = 1150/230 = 5$ A — fit a 13 A fuse (next standard rating above the current); a 3 A fuse would blow in normal use.

Circuits

Series 串联 suits chains (switches, ammeters, fairy lights) — the same current everywhere, voltages add, and one failure breaks all. Parallel 并联 suits domestic lighting — each lamp gets the full supply voltage, works independently, and currents add at junctions (charge is conserved at a junction).

Current is a flow of negatively charged electrons in metals. Voltage is the energy transferred per unit charge (1 V = 1 J/C). Two resistors in series: $R = R_1 + R_2$; in parallel the combined resistance is less than either alone.

I–V characteristics 伏安特性: a wire gives a straight line through the origin (constant resistance); a filament lamp curves as heating raises its resistance; a diode conducts in one direction only. LDRs: resistance falls as light rises. Thermistors: resistance falls as temperature rises (or rises as it cools — used in temperature sensors). Lamps and LEDs indicate current.

Worked check. Two resistors, 4 Ω and 6 Ω, in series across 10 V: total 10 Ω, $I = 10/10 = 1$ A; voltages 4 V and 6 V. In parallel across 10 V: each branch draws 10/4 = 2.5 A and 10/6 ≈ 1.67 A — total ≈ 4.17 A, equivalent resistance ≈ 2.4 Ω (less than either).

Electric charge (P)

Conductors (metals) let charge flow; insulators (plastics) 绝缘体 do not.

Rubbing an insulator transfers electrons: the loser becomes positive, the gainer negative — never protons moving. Unlike charges attract; like charges repel. A charged rod attracts tiny uncharged paper because it induces charge separation. Dangers: sparks while fuelling aircraft and tankers — earthed bonds drain charge safely. Uses: photocopiers and inkjet printers steer charged toner or droplets.

Check yourself

1. State the difference between a.c. and d.c. and give one source of each.
2. Explain how earthing and a fuse work together to protect a user.
3. A 230 V kettle is rated 2.0 kW. Calculate the current and the best fuse.
4. State two reasons domestic lighting is wired in parallel.
5. State the I–V shapes for a wire, a filament lamp and a diode.
6. What happens to an LDR's resistance in bright light?
7. Define voltage in terms of energy and charge.
8. Calculate the charge passing when 2 A flows for 30 s.
9. (P) Explain how rubbing a polythene rod with a cloth makes it negative.
10. (P) Give one danger and one use of electrostatic charge.

Answers: 1 a.c. reverses direction repeatedly — the mains; d.c. flows one way — a cell or battery; 2 the earth wire gives a low-resistance path, so the large fault current flows to earth and melts the fuse, cutting off the supply before a user can touch the live casing; 3 $I = 2000/230 = 8.7$ A — a 13 A fuse; 4 each lamp receives the full mains voltage; one lamp failing leaves the others working (and switches control lamps independently); 5 straight line through the origin; S-shaped curve (gradient falls as it heats); zero until a forward threshold then steep (one direction); 6 it falls; 7 voltage is the energy transferred per unit charge (1 volt = 1 joule per coulomb); 8 $Q = 2 \times 30 = 60$ C; 9 (P) friction transfers electrons from the cloth to the rod — the rod gains electrons and becomes negative, the cloth positive; 10 (P) danger — sparking while fuelling aircraft/tankers; use — photocopier or inkjet printer.

Waves: energy that travels

Ripples cross a pond, light crosses a room, sound crosses air — waves carry energy and information without transferring matter. This section gives you their vocabulary and equations, the electromagnetic spectrum with its uses and dangers, and the behaviour of light and (P) sound: reflection, refraction and total internal reflection.

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 3 (statements 3.1–3.29P). Units: degree (°), hertz (Hz), metre (m), m/s, second (s).

Properties of waves

Transverse waves 横波 oscillate perpendicular to travel (light, water). Longitudinal waves 纵波 oscillate along the travel direction as compressions and rarefactions (sound). Vocabulary: amplitude 振幅 (maximum displacement), wavelength λ 波长 (one crest to the next), frequency f 频率 (waves per second, Hz), period T (time per wave), wavefront (a line of simultaneous crests).

Worked check. A 340 Hz sound wave at 340 m/s: $\lambda = 340/340 = 1$ m; period $= 1/340 \approx 2.9$ ms. The Doppler effect 多普勒效应: a source moving towards an observer bunches wavefronts — higher observed frequency; moving away stretches them — lower.

The electromagnetic spectrum

One family, same speed in free space, ordered by decreasing wavelength (increasing frequency): radio → microwave → infrared → visible (red to violet) → ultraviolet → X-ray → gamma.

Protection: limit exposure time, shielding, sun cream (UV).

Light and sound

Light is transverse and reflects and refracts. Law of reflection: angle of incidence = angle of reflection. Refraction 折射: entering glass (optically denser), light slows and bends towards the normal; leaving, it bends away.

Total internal reflection 全内反射 happens when the angle inside the denser medium exceeds the critical angle 临界角 — the principle of optical fibres (communications, endoscopes) and prisms in periscopes.

Worked check. Glass with $n = 1.5$: $\sin c = 1/1.5 = 0.667$, so $c \approx 41.8°$. A ray inside the glass hitting the boundary at 45° exceeds 41.8° — totally internally reflected.

(P) Sound is longitudinal, 20–20 000 Hz for human hearing; pitch rises with frequency, loudness with amplitude. An oscilloscope with a microphone displays the wave; practicals time echoes or resonances to find the speed of sound in air.

Check yourself

1. Give one similarity and one difference between transverse and longitudinal waves.
2. Define amplitude, wavelength and frequency.
3. A wave of frequency 500 Hz travels at 340 m/s. Calculate its wavelength.
4. State the order of the electromagnetic spectrum by increasing frequency.
5. Give one use each of microwaves, infrared and gamma rays, and one danger of UV.
6. State the law of reflection.
7. Which way does light bend entering glass, and leaving it?
8. Glass has n = 1.5. Calculate the critical angle.
9. (P) State the human hearing frequency range, and what raises pitch and loudness.
10. (P) How does an oscilloscope trace change when a sound gets louder at the same pitch?

Answers: 1 both transfer energy without transferring matter; transverse oscillates across the travel direction (light), longitudinal along it as compressions (sound); 2 amplitude — maximum displacement from the rest position; wavelength — distance between successive identical points; frequency — number of waves passing per second; 3 $\lambda = 340/500 = 0.68$ m; 4 radio, microwave, infrared, visible, ultraviolet, X-ray, gamma; 5 microwaves — cooking/satellite; infrared — heaters/night vision; gamma — sterilising; UV damages surface cells and can blind; 6 angle of incidence = angle of reflection; 7 towards the normal entering, away from the normal leaving; 8 $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 9 (P) 20–20 000 Hz; higher frequency raises pitch, larger amplitude raises loudness; 10 (P) the trace's peaks grow taller (amplitude) while the number of cycles per second (frequency) stays the same.

Énergie : stockée, transférée, gaspillée

Rien ne consomme l'énergie — elle ne fait que se déplacer entre réservoirs et fuir en cours de route. Cette section nomme les réservoirs et les transferts, mesure l'efficacité avec des diagrammes de Sankey, suit la chaleur par conduction, convection et rayonnement, relie travail, énergie potentielle gravitationnelle et énergie cinétique, et (P) pèse les méthodes de production électrique.

Physique Edexcel International GCSE 4PH1, Section 4 (énoncés 4.1–4.19P). Unités : joule (J), watt (W), newton (N), et (P) J/kg °C.

Transferts d'énergie

Huit réservoirs : chimique, cinétique, gravitationnel, élastique, thermique, magnétique, électrostatique, nucléaire. Quatre voies de transfert : mécaniquement, électriquement, par chauffage, par rayonnement (lumière et son). L'énergie est conservée — le total reste inchangé ; les dispositifs redirigent simplement une partie de celle-ci depuis le réservoir souhaité vers ceux que nous ne voulons pas.

Exemple corrigé. La lampe ci-dessus : efficacité $= 10/100 \times 100 = 10\%$.

Transfert d'énergie thermique

La chaleur se déplace de trois manières, chacune ayant son propre mécanisme et chaque fois contrée par une défense différente.

Conduction : les vibrations des particules transmettent l'énergie au sein d'un solide — rapide dans les métaux (électrons libres). Convection : le fluide chauffe, se dilate, devient moins dense et monte ; le fluide plus froid descend pour le remplacer — brises marines, radiateurs chauffant les pièces. Rayonnement : les ondes infrarouges voyagent dans le vide ; les surfaces sombres et mates sont les meilleures émettrices et absorbeuses ; les surfaces claires et brillantes réfléchissent. Réduire les transfers indésirables : isolation (murs creux, combles, double vitrage réduisent conduction et convection ; foil brillant reflète le rayonnement).

Travail, puissance et équations énergétiques

Le travail effectué égale l'énergie transférée. En chute libre, l'énergie potentielle gravitationnelle (GPE) se convertit en énergie cinétique (KE) (moins le travail contre la traînée).

Vérification d'exemple. Un livre de 2 kg soulevé de 1.5 m à g = 10 N/kg : $GPE = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J. Lâché, au sol $KE = 30$ J → $v = \sqrt{2 \times 30/2} = \sqrt{30} \approx 5.5$ m/s. Une lampe de 60 W allumée pendant 10 s : $W = 60 \times 10 = 600$ J.

Ressources énergétiques et production d'électricité (P)

Chaque centrale est une chaîne de transfert d'énergie depuis un stock vers l'électricité ; le tableau nomme les sept que la spécification exige.

Vérifiez-vous

1. Nommez quatre stocks d'énergie et deux voies de transfert.
2. Un moteur utilise 500 J et fournit 350 J de travail utile. Calculez le rendement.
3. Nommez les trois méthodes de transfert thermique et celle qui ne nécessite pas de milieu.
4. Quelles surfaces émettent le mieux l'infrarouge ?
5. Énoncez deux façons dont une maison réduit les pertes de chaleur indésirables.
6. Calculez le travail effectué par une force de 40 N se déplaçant sur 3 m.
7. Calculez l'EC d'une voiture de 800 kg à 20 m/s.
8. Un chauffage transfère 12 000 J en 30 s. Calculez sa puissance.
9. (P) Donnez un avantage et un inconvénient chacun pour l'éolien et le nucléaire.
10. (P) Quelles sont les deux méthodes renouvelables qui extraient l'énergie déjà stockée sous forme de chaleur dans le sol ou dans l'eau tombante ?

Réponses : 1 chimique, cinétique, gravitationnelle, thermique (aussi élastique, magnétique, électrostatique, nucléaire) ; mécaniquement et électriquement (aussi chauffage, rayonnement) ; 2 $350/500 \times 100 = 70\%$ ; 3 conduction, convection, rayonnement — le rayonnement ne nécessite pas de support ; 4 surfaces sombres, mates (noir mat) ; 5 isolants de combles/murs creux et double vitrage (aussi film réfléchissant, joints d'étanchéité) ; 6 $W = 40 \times 3 = 120$ J ; 7 $KE = \frac{1}{2} \times 800 \times 400 = 160\,000$ J ; 8 $P = 12\,000/30 = 400$ W ; 9 (P) éolien — renouvelable sans coût de carburant, mais imprévisible et visuellement intrusif ; nucléaire — énergie énorme par kilogramme sans CO₂, mais les déchets radioactifs doivent être stockés en sécurité pendant des siècles ; 10 (P) géothermique (chaleur du sol) et hydroélectrique (réserve gravitationnelle de l'eau).

Matter under pressure

The same substance can be solid, liquid or gas, and its molecules never stop moving. This section measures matter: density and pressure, the (P) energy needed to heat or melt things, and the ideal-gas behaviour that links pressure, volume and temperature.

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 5 (statements 5.1–5.22). Units include the pascal (Pa), kelvin (K) and (P) J/kg °C.

Density and pressure

Density is measured directly — mass on a balance, volume by displacement (irregular solid) or dimensions (regular shape). Pressure in a fluid at rest acts equally in all directions, and the pressure difference between two depths comes from the weight of fluid between them.

Worked check. A diver at 10 m in water ($\rho = 1000\ \mathrm{kg/m^3}$, $g = 10$ N/kg): pressure difference $= 10 \times 1000 \times 10 = 100\,000$ Pa on top of atmospheric pressure.

Change of state (P)

Heating raises the energy stored in a system — either its temperature rises, or at a melting point or boiling point the extra energy breaks bonds while the temperature stays constant. Particles: solids vibrate about fixed points; liquids move randomly but touch; gases move fast, far apart, in straight lines between collisions. Specific heat capacity 比热容 is the energy needed to raise 1 kg by 1 °C:

Worked check. Heating 2 kg of water ($c = 4200\ \mathrm{J/(kg\ °C)}$) by 30 °C: $\Delta Q = 2 \times 4200 \times 30 = 252\,000$ J.

Ideal gas molecules

Gas molecules move randomly, exerting force — and so pressure — on the walls at every collision. Absolute zero 绝对零度 (−273 °C) is the temperature at which molecular kinetic energy is minimum: K = °C + 273. Higher temperature → faster average molecular speed, and the Kelvin temperature is proportional to the average kinetic energy of the molecules.

For a fixed mass of gas: at constant temperature, pressure × volume is constant (squeeze it and the molecules hit the walls more often); at constant volume, pressure/T (K) is constant (hotter molecules hit harder):

Worked check. A gas at 100 kPa and 300 K is heated (constant volume) to 450 K: $p_2 = 100 \times 450/300 = 150$ kPa. Squashed from 2 dm³ to 0.5 dm³ at constant temperature: $p_2 = 100 \times 2/0.5 = 400$ kPa.

Check yourself

1. A 240 g block has volume 40 cm³. Calculate its density in kg/m³.
2. State the pressure equation and its unit.
3. Calculate the pressure under a 500 N boot heel of area 0.01 m².
4. (P) What stays constant in a substance's temperature while it melts?
5. (P) Calculate the energy to heat 0.5 kg of aluminium (c = 900 J/(kg °C)) by 40 °C.
6. Convert 27 °C to kelvin, and 373 K to °C.
7. Why does a gas exert pressure on its container?
8. What happens to average molecular speed as temperature rises?
9. A gas at 120 kPa in 3 dm³ is compressed to 1 dm³ at constant temperature. Find the new pressure.
10. State two conditions that make a gas's pressure double.

Answers: 1 $m = 0.24$ kg, $V = 4.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m^3}$; $\rho = 0.24/4.0\times10^{-5} = 6000\ \mathrm{kg/m^3}$; 2 $p = F/A$, in pascals (N/m²); 3 $p = 500/0.01 = 50\,000$ Pa; 4 (P) temperature — the energy goes to breaking intermolecular bonds, not to faster molecules; 5 (P) $\Delta Q = 0.5 \times 900 \times 40 = 18\,000$ J; 6 300 K; 100 °C; 7 its molecules collide with the walls, each collision exerting a force; the total force per unit area is the pressure; 8 it increases; 9 $p_2 = 120 \times 3/1 = 360$ kPa; 10 doubling the Kelvin temperature at constant volume, or halving the volume at constant temperature.

Du magnétisme au réseau électrique

Un aimant se déplace et un courant apparaît dans un fil situé à des kilomètres de là. Cette section détaille cette chaîne : aimants permanents et schémas de champ, effet magnétique du courant, force motrice avec sa règle de la main gauche, induction dans les bobines et générateurs, et (P) les transformateurs qui transportent l'énergie électrique à travers un pays.

Edexcel International GCSE Physique 4PH1, Section 6 (déclarations 6.1–6.20P). Les déclarations suivies de P sont le prolongement exclusivement physique.

Magnétisme

Les aimants repoussent les pôles semblables et attirent les pôles contraires, ainsi que les matériaux magnétiques (fer, acier, nickel, cobalt). Les matériaux durement magnétiques (acier) conservent leur aimantation — aimants permanents ; les matériaux mous (fer) s'aimantent et se désaimantent facilement — noyaux d'électroaimants. Les lignes de champ pointent de N vers S à l'extérieur d'un aimant (elles ne se croisent jamais) ; l'aimantation est induite dans un matériau magnétique placé dans un champ. Deux pôles contraires face à face créent un champ uniforme entre eux.

Électromagnétisme et effet moteur

Un courant dans un conducteur crée un champ magnétique autour de lui — cercles concentriques, règle de la main droite (règle du poing). (P) Électroaimants : une bobine (solénoïde) autour d'un noyau en fer doux, commutable et ajustable. (P) Schémas de champ pour un fil droit, une bobine plate et un solénoïde.

Un fil parcouru par un courant subit une force lorsqu'il traverse perpendiculairement un champ magnétique — l'effet moteur, utilisé dans les moteurs c.c. (bobine rotative + collecteur) et les haut-parleurs. Prédisez la direction avec la règle de la main gauche : premier doigt Champ, deuxième doigt Courant, pouce Mouvement. La force augmente avec un champ plus intense et un courant plus grand, et s'inverse si l'un des deux s'inverse.

Induction électromagnétique

Une tension est induite dans un conducteur ou une bobine lorsqu'il se déplace à travers un champ magnétique ou lorsque le champ à travers elle change. La tension induite est plus grande avec un mouvement plus rapide, un champ plus fort, plus de spires et (pour les générateurs) une rotation plus rapide. Les générateurs font tourner un aimant à l'intérieur d'une bobine (ou une bobine à l'intérieur d'un aimant) — l'amplitude et la fréquence du courant alternatif induit suivent la rotation.

(P) Transformateurs changent une tension alternative grâce à deux bobines sur un noyau en fer :

Transformateurs élévateurs augmentent la tension (et réduisent le courant) pour la transmission — une haute tension signifie un faible courant, donc beaucoup moins d'énergie perdue sous forme de chaleur dans les câbles ; les transformateurs abaisseurs ramènent ensuite à des niveaux sûrs pour l'utilisation.

Vérification corrigée. Un transformateur a 200 spires primaires et 50 spires secondaires ; le primaire est 230 V. $V_s = 230 \times 50/200 = 57.5$ V — c'est un abaisseur. Si le courant primaire est 0.5 A : $I_s = 230 \times 0.5/57.5 = 2.0$ A.

Vérifiez-vous

1. Citez deux différences entre les matériaux magnétiquement durs et ceux magnétiquement doux.
2. Dans quelle direction pointent les lignes de champ à l'extérieur d'un aimant ?
3. Décrivez comment obtenir un champ magnétique uniforme avec deux aimants barres.
4. Que produit un courant dans un fil autour de lui ?
5. Énoncez les trois doigts de la règle de la main gauche.
6. Nommez deux facteurs qui augmentent la force sur un fil parcouru par un courant dans un champ.
7. Citez deux moyens d'induire une tension dans une bobine.
8. Nommez deux facteurs qui augmentent l'amplitude d'une tension induite.
9. (P) Un transformateur abaisseur a 1000 spires primaires et 100 spires secondaires ; entrée 230 V. Calculez la sortie.
10. (P) Pourquoi l'électricité est-elle transmise à haute tension ?

Réponses : 1 dur conserve son aimantation (aimants permanents, acier) ; doux la perd facilement (temporaire, fer — noyaux d'électroaimants) ; 2 du N vers S ; 3 placez les pôles N et S face à face avec un espace — les lignes de champ parallèles entre eux sont uniformes ; 4 un champ magnétique en cercles concentriques (règle de la main droite) ; 5 premier doigt Champ, deuxième doigt Courant, pouce Mouvement ; 6 champ plus fort ; courant plus élevé.

Réponses continues : 7 déplacez la bobine ou l'aimant afin que la bobine coupe les lignes de champ, ou changez le champ à travers une bobine stationnaire ; 8 mouvement plus rapide ; aimant plus puissant ; plus de spires ; 9 (P) $V_s = 230 \times 100/1000 = 23$ V ; 10 (P) la haute tension donne un faible courant pour une même puissance ; l'échauffement des câbles est $I^2R$, donc les pertes chutent fortement sur de longues distances.

The nucleus at work

Some nuclei are unstable: they throw out radiation at random, decay by half-lives, and — in reactors and stars — release energy by splitting or joining. This section covers atomic notation, the three ionising radiations with their penetrating powers, half-life calculations, the fission chain reaction, and why fusion lights the stars but not our power stations.

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 7 (statements 7.1–7.26). Units: becquerel (Bq), with time in s, min or h.

Radioactivity

An atom holds protons and neutrons in a nucleus; notation $^{A}_{Z}X$ gives mass (nucleon) number A and atomic (proton) number Z. Isotopes share Z but differ in neutrons.

Unstable nuclei emit — randomly — alpha α (helium nucleus, $^4_2$He), beta-minus β⁻ (an electron, created as a neutron turns proton) and gamma γ (high-energy electromagnetic wave, no particles). Balancing: both mass number and charge are conserved.

Worked check. Carbon-14: $^{14}_{6}C \rightarrow {}^{14}_{7}N + {}^{0}_{-1}e$ — A stays 14; charge 6 = 7 + (−1) ✓. Radon: $^{222}_{86}Rn \rightarrow {}^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He$.

Detection: photographic film (badge) or a Geiger–Müller tube. Background radiation comes from rocks and cosmic rays (space), food, medical uses and fallout.

Activity 活度 (in becquerels; 1 Bq = 1 decay/s) falls steadily: the half-life 半衰期 is the time for half the undecayed nuclei to decay. Worked check. 800 Bq with half-life 6 h: after 24 h (4 half-lives) activity $= 800/2^4 = 50$ Bq.

Uses: medical tracers (short half-life, gamma), cancer treatment, sterilising, thickness control (beta through paper). Contamination (radioactive material on you — must be removed) differs from irradiation (exposure to radiation — stops when the source leaves). Dangers: mutation of DNA, cell and tissue damage; radioactive waste must be stored safely for its long half-lives.

Fission and fusion

Split a big nucleus or join two small ones — both release energy, and each powers a different machine.

Fission 裂变: a neutron strikes U-235, splitting it into two radioactive daughter nuclei, 2–3 neutrons and kinetic energy — and if those neutrons strike more U-235, a chain reaction runs. The moderator 慢化剂 slows neutrons so they split nuclei efficiently; control rods 控制棒 absorb neutrons to hold the rate steady; shielding protects workers. Fusion 聚变 joins small nuclei into a larger one, converting mass to energy — the Sun's source. Fusion needs enormous temperature and pressure because positively charged protons electrostatically repel — the nuclei must collide fast enough to overcome that repulsion.

Check yourself

1. In $^{19}_{9}F$, state the numbers of protons, neutrons and electrons in the neutral atom.
2. Name the three ionising radiations and their natures.
3. Write the full equation for alpha decay of $^{226}_{88}Ra$.
4. Which radiation is stopped by paper, and which passes through aluminium?
5. Give two sources of background radiation.
6. Define half-life.
7. A source of 3200 Bq has half-life 8 days. Find its activity after 32 days.
8. State the difference between contamination and irradiation.
9. Name the roles of the moderator, control rods and shielding in a reactor.
10. Why does fusion need such high temperatures?

Answers: 1 9 protons, 10 neutrons, 9 electrons; 2 alpha — helium nucleus (2p+2n); beta-minus — fast electron; gamma — high-energy electromagnetic wave; 3 $^{226}_{88}Ra \rightarrow {}^{222}_{86}Rn + {}^{4}_{2}He$; 4 alpha stopped by paper; gamma passes aluminium (needs thick lead); 5 any two: rocks/building materials, cosmic rays, food/drink, medical, radon gas, nuclear fallout; 6 the time taken for half the undecayed nuclei (or the activity) to decay; 7 32 days = 4 half-lives: $3200 \rightarrow 1600 \rightarrow 800 \rightarrow 400 \rightarrow 200$ Bq; 8 contamination — radioactive material stuck to you, hazard remains until removed; irradiation — exposure to radiation from a source, ends when the source is removed; 9 moderator slows neutrons for efficient fission; control rods absorb neutrons to control the rate; shielding absorbs escaping radiation to protect workers; 10 the positively charged protons of two nuclei repel electrostatically, so nuclei must collide at enormous speed — only reached at very high temperature and pressure — to get close enough to fuse.

L'univers et son histoire

L'univers contient des milliards de galaxies ; chaque galaxie compte des milliards d'étoiles ; le Soleil est une étoile parmi la Voie lactée. La gravité façonne toutes les orbites, les étoiles naissent et meurent selon des schémas dictés par leur masse, et le décalage vers le rouge des galaxies lointaines nous indique que l'univers entier s'expande — preuve d'un début : le Big Bang.

Edexcel International GCSE Physique 4PH1, Section 8 (affirmations 8.1–8.18P). Les affirmations suffixées P sont l'extension exclusive Physique (Dossier 2P).

Mouvement dans l'univers

Univers → des milliards de galaxies → chacune comptant des milliards d'étoiles → notre système solaire se trouve dans la Voie lactée. La champ gravitationnel g varie avec la masse et la taille — plus faible sur la Lune, plus intense sur Jupiter. La gravité maintient chaque orbite : les lunes orbitent autour des planètes, les planètes et comètes orbitent autour du Soleil, les satellites artificiels orbitent autour de la Terre.

Les orbites planétaires sont quasi circulaires ; les orbites cométaires sont hautement excentriques — rapides près du Soleil, lentes loin de celui-ci. La vitesse orbitale provient de circonférence ÷ période :

Vérification corrigée. Un satellite à un rayon orbital de 7000 km (r mesuré depuis le centre de la Terre) avec une période de 5800 s : $v = 2\pi \times 7.0 \times 10^6/5800 \approx 7580$ m/s ≈ 7.6 km/s.

Évolution stellaire

Les étoiles sont classées par couleur, qui correspond à la température de surface : bleu le plus chaud → rouge le plus froid. Une étoile semblable au Soleil suit nébuleuse → séquence principale (fusion équilibre gravité pendant des milliards d'années) → géante rouge → naine blanche ; une étoile plus massive que le Soleil suit nébuleuse → séquence principale → supergéante rouge → supernova → étoile à neutrons ou trou noir.

(P) La luminosité d'une étoile est comparée via sa magnitude absolue à distance standard ; le diagramme Hertzsprung-Russell représente la magnitude absolue contre la température, avec la séquence principale, les géantes et les naines blanches comme bandes principales.

Cosmologie (P)

Une source ondulante en mouvement modifie la longueur d'onde observée (décalage vers le rouge pour l'éloignement). Le décalage vers le rouge des galaxies augmente avec la distance, et la relation est quantifiée ainsi :

Vérification corrigée. Une raie spectrale à 500 nm apparaît à 505 nm dans une galaxie lointaine : $\Delta\lambda/\lambda_0 = 5/500 = 0.01$, donc $v = 0.01c = 3000$ km/s.

Le décalage vers le rouge croissant avec la distance signifie que les galaxies s'éloignent d'autant plus vite qu'elles sont éloignées — l'univers est en expansion, ce qui renvoie à un début chaud et dense : le Big Bang. Le fond diffus cosmique (FDC) — de faibles micro-ondes venant dans toutes les directions — est le vestige refroidi de cette radiation primitive, deuxième pilier de preuve.

Vérifiez-vous

1. Classez par taille : galaxie, système solaire, univers, étoile.
2. Pourquoi g diffère-t-il entre la Terre et la Lune ?
3. Nommez les deux formes d'orbite des comètes et des planètes.
4. Calculez la vitesse orbitale d'un satellite à r = 42 000 km avec T = 24 heures.
5. Énoncez les deux stades suivant la séquence principale pour une étoile semblable au Soleil.
6. Que vous indique la couleur d'une étoyle ?
7. (P) Quelles deux grandeurs le diagramme de Hertzsprung-Russell représente-t-il ?
8. (P) Une ligne à 400 nm se décale vers 404 nm. Calculez v/c.
9. (P) Énoncez les deux preuves du Big Bang.
10. (P) Pourquoi le décalage vers le rouge augmente-t-il avec la distance ?

Réponses : 1 étoile (la plus petite) → système solaire → galaxie → univers (la plus grande) ; 2 g dépend de la masse et du rayon du corps — la Lune est plus petite et moins massive, donc son g est d'environ 1.6 N/kg ; 3 planètes — presque circulaires ; comètes — ellipses très excentriques ; 4 $r = 4.2 \times 10^7$ m, $T = 86\,400$ s ; $v = 2\pi \times 4.2\times10^7/86\,400 \approx 3060$ m/s ≈ 3.1 km/s ; 5 géante rouge, puis naine blanche ; 6 sa température de surface — bleu le plus chaud, rouge le plus froid ; 7 (P) magnitude absolue contre température (ou couleur) ; 8 (P) $\Delta\lambda/\lambda_0 = 4/400 = 0.01 = v/c$ ; 9 (P) le décalage vers le rouge des galaxies croissant avec la distance, et le rayonnement du fond diffus cosmique ; 10 (P) plus une galaxie est éloignée, plus elle s'éloigne rapidement — l'espace lui-même s'étend, donc la vitesse de récession croît avec la distance, décalant davantage la lumière vers le rouge.