| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Décrire l'utilisation de règles et de cylindres gradués pour trouver une longueur ou un volume | |
| 2 Décrire comment mesurer divers intervalles de temps à l'aide de montres et de chronomètres numériques | |
| 3 Déterminer une valeur moyenne pour une petite distance et pour un court intervalle de temps en mesurant plusieurs fois (y compris la période d'oscillation d'un pendule) | |
| 4 Comprendre qu'une grandeur scalaire a uniquement une grandeur (taille) et qu'une grandeur vectorielle a une grandeur et une direction | |
| 5 Savoir que les grandeurs suivantes sont scalaires : distance, vitesse, temps, masse, énergie et température | |
| 6 Savoir que les grandeurs suivantes sont vectorielles : force, poids, vitesse, accélération, quantité de mouvement, intensité de champ électrique et intensité de champ gravitationnel | |
| 7 Déterminer, par calcul ou graphiquement, la résultante de deux vecteurs perpendiculaires, limité aux forces ou vitesses uniquement |
Mouvement, forces et énergie
Physique IGCSE · Sujet 1
23:51
Mouvement, Forces et Énergie
Regardez autour de vous. Une voiture accélère. Une balle tombe. Une tasse reste immobile sur une table. La physique peut décrire chacun de ces phénomènes — exactement, avec des nombres. Et tout repose…
Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés
1.1
Measurement 测量
Programme
Source : Programme Cambridge International
Length and volume
Utiliser une règle 直尺 pour mesurer la longueur. Lire l'échelle avec l'œil bien droit devant la marque pour éviter une erreur de lecture.
Utiliser un cylindre gradué 量筒 pour mesurer le volume d'un liquide. Lire l'échelle au bas de la surface courbe (le ménisque 弯月面), avec l'œil à son niveau.
Measuring time
Utilisez un chronomètre 秒表 ou une minuterie numérique 数字计时er pour mesurer un intervalle de temps. Une horloge convient pour les longues durées (minutes ou heures). Un chronomètre est démarré et arrêté à la main, donc chaque lecture comporte une erreur de temps de réaction 反应时间 d'environ 0.2 s. Pour réduire l'impact de cette erreur, mesurez un intervalle long, ou mesurez plusieurs répétitions et divisez (voir ci-dessous).
Measuring small amounts
Une petite longueur ou un court intervalle de temps est difficile à mesurer précisément. L'astuce consiste à mesurer plusieurs fois puis diviser :
- Pour trouver l'épaisseur d'une seule page, mesurez 100 pages et divisez par 100.
- Pour trouver le temps pour un balancement d'un pendule 摆, mesurer le temps pour 20 balancements et diviser par 20. Un balancement complet s'appelle la période 周期.
Cela rend l'incertitude 不确定度 (la taille de l'erreur) beaucoup plus petite.
Scalaires et vecteurs
Une grandeur scalaire n'a que de la taille (magnitude). Une grandeur vectorielle a une taille et une direction.
- Scalars: distance, speed, time, mass 质量, energy 能量, temperature 温度.
- Vecteurs : force, poids, vitesse, accélération, quantité de mouvement, intensité du champ électrique, intensité du champ gravitationnel.
Pour additionner deux vecteurs perpendiculaires (90°), dessinez-les comme deux côtés d'un rectangle. La résultante est la diagonale. Trouvez sa taille avec Pythagore et sa direction avec la trigonométrie.
$$R = \sqrt{a^2 + b^2}$$
Explorer
Scalaires & vecteurs
résultante = a + b
Ajoutez deux vecteurs bout à bout pour trouver le résultant.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ | 大小 | dà xiǎo |
| vector quantity/ˈvektə ˈkwɒntɪti/ | 矢量 | shǐ liàng |
| mass/mæs/ | 质量 | zhì liàng |
| energy/ˈenədʒi/ | 能量 | néng liàng |
| temperature/ˈtemprɪtʃə/ | 温度 | wēn dù |
| force/fɔːs/ | 力 | lì |
| speed/spiːd/ | 速率 | sù lǜ |
| deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ | 减速 | jiǎn sù |
| distance–time graph/ˈdɪstəns taɪm ɡræf/ | 距离-时间图 | jù lí - shí jiān tú |
| at rest/æt rest/ | 静止 | jìng zhǐ |
| gradient/ˈɡreɪdɪənt/ | 斜率 | xié lǜ |
| speed–time graph/spiːd taɪm ɡræf/ | 速度-时间图 | sù dù - shí jiān tú |
| area under the line/ˈeərɪə ˈʌndə ðə laɪn/ | 线下面积 | xiàn xià miàn jī |
1.2
Mouvement 运动
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Définir la vitesse comme distance parcourue par unité de temps ; rappeler et utiliser l'équation $$v = \frac{s}{t}$$ |
|
| 2 Définir la vitesse vectorielle comme la vitesse dans une direction donnée | |
| 3 Rappeler et utiliser l'équation $$\text{average speed} = \frac{\text{total distance travelled}}{\text{total time taken}}$$ |
9 Définir l'accélération comme changement de vitesse par unité de temps ; rappeler et utiliser l'équation $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$ |
| 4 Tracer, représenter et interpréter des graphiques distance–temps et vitesse–temps | |
| 5 Déterminer qualitativement, à partir de données données ou de la forme d'un graphique distance–temps ou vitesse–temps, quand un objet est : (a) au repos (b) se déplaçant à vitesse constante (c) accélérant (d) décélérant | 10 Déterminer à partir de données données ou de la forme d'un graphique vitesse–temps quand un objet se déplace avec : (a) accélération constante (b) accélération variable |
| 6 Calculer la vitesse à partir de la pente d'une section rectiligne d'un graphique distance–temps | 11 Calculer l'accélération à partir de la pente d'un graphique vitesse–temps |
| 7 Calculer l'aire sous un graphique vitesse–temps pour déterminer la distance parcourue lors d'un mouvement à vitesse constante ou à accélération constante | |
| 12 Savoir qu'une décélération est une accélération négative et utiliser cela dans les calculs | |
| 8 Énoncer que l'accélération de la chute libre $g$ pour un objet près de la surface de la Terre est approximativement constante et vaut environ $9.8\text{ m/s}^2$ | 13 Décrire le mouvement d'objets tombant dans un champ gravitationnel uniforme avec et sans résistance de l'air/liquide, y compris la notion de vitesse terminale |
Source : Programme Cambridge International
Vitesse et vitesse vectorielle
Vitesse 速率 is the distance traveled per unit time.
$$v = \frac{s}{t}$$
Vitesse vectorielle est la vitesse dans une direction donnée. Ainsi, la vitesse vectorielle est un vecteur tandis que la vitesse scalaire est un scalaire.
$$\text{average speed} = \frac{\text{total distance}}{\text{total time}}$$
Accélération
Accélération est le changement de vitesse par unité de temps.
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
Ici $\Delta v$ signifie « le changement de vitesse ». Une décélération 减速 (ralentissement) est une accélération négative.
Exemple résolu. Une voiture accélère de $8\ \text{m/s}$ à $20\ \text{m/s}$ en $4.0\ \text{s}$. Trouvez son accélération.
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 8}{4.0} = 3.0\ \text{m/s}^2$$
Graphes de mouvement
Un graphe distance-temps 距离-时间图 montre la distance parcourue par un objet :
- Une ligne plate (horizontale) signifie que l'objet est au repos 静止.
- Une pente droite signifie une vitesse constante. La pente 斜率 (raideur) correspond à la vitesse.
- Une courbe qui devient plus raide signifie que l'objet accélère.
Un graphe vitesse-temps 速度-时间图 montre la rapidité de déplacement d'un objet :
- Une ligne plate signifie une vitesse constante.
- Une pente droite signifie une accélération constante. La pente correspond à l'accélération.
- L'aire sous la ligne 线下面积 correspond à la distance parcourue.
Chute libre
Près de la Terre, le champ gravitationnel est uniforme 均匀 (même intensité partout), donc tous les objets accélèrent lors de leur chute au même rythme. C'est l'accélération de la chute libre 自由落体加速度, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.
Lorsqu'un objet tombe dans l'air, la résistance de l'air 空气阻力 (force de traînée) agit vers le haut. En accélérant, la résistance de l'air augmente. Lorsque la résistance de l'air égale le poids, la force résultante est nulle et l'objet cesse d'accélérer. Il tombe alors à une vitesse terminale 收尾速度 constante.
Explorer
Graphique vitesse–temps
Modifiez u et a. La pente est l'accélération ; l'aire sous la ligne est la distance parcourue.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| velocity/vəˈlɒsɪti/ | 速度 | sù dù |
| acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ | 加速度 | jiā sù dù |
| uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ | 均匀 | jūn yún |
| acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ | 自由落体加速度 | zì yóu luò tǐ jiā sù dù |
| air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ | 空气阻力 | kōng qì zǔ lì |
| terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ | 收尾速度 | shōu wěi sù dù |
| matter/ˈmætə/ | 物质 | wù zhì |
1.3
Masse et poids
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Énoncer que la masse est une mesure de la quantité de matière dans un objet au repos par rapport à l'observateur | |
| 2 Énoncer que le poids est une force gravitationnelle agissant sur un objet ayant une masse | 5 Décrire et utiliser le concept de poids comme l'effet d'un champ gravitationnel sur une masse |
| 3 Définir l'intensité de champ gravitationnel comme force par unité de masse ; rappeler et utiliser l'équation $$g = \frac{W}{m}$$ et savoir que cela équivaut à l'accélération de la chute libre |
|
| 4 Savoir que les poids (et masses) peuvent être comparés à l'aide d'une balance |
Source : Programme Cambridge International
Masse est la quantité de matière 物质 dans un objet. Elle est mesurée en kilogrammes (kg) et ne change pas lorsque vous déplacez l'objet.
Poids est la force de gravité sur une masse. Il est mesuré en newtons (N). Le poids peut changer : il est plus petit sur la Lune car la gravité lunaire est plus faible.
Intensité du champ gravitationnel est la force par unité de masse :
$$g = \frac{W}{m}$$
Cette $g$ a la même valeur que l'accélération de la chute libre ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). Vous pouvez comparer des masses avec une solde 天平.
Explorer
Poids et masse
W = mg
Le poids est proportionnel à la masse — la pente est la intensité du champ gravitationnel g (environ 10 N/kg sur Terre).
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| balance/ˈbæləns/ | 天平 | tiān píng |
1.4
Densité 密度
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Définir la densité comme masse par unité de volume ; rappeler et utiliser l'équation $$\rho = \frac{m}{V}$$ |
|
| 2 Décrire comment déterminer la densité d'un liquide, d'un solide de forme régulière et d'un solide de forme irrégulière qui coule dans un liquide (volume par déplacement), y compris les calculs appropriés | |
| 3 Déterminer si un objet flotte sur la base des données de densité | 4 Déterminer si un liquide flottera sur un autre liquide sur la base des données de densité données, sachant que les liquides ne se mélangent pas |
Source : Programme Cambridge International
Densité est la masse par unité de volume.
$$\rho = \frac{m}{V}$$
Le symbole $\rho$ est la lettre grecque « rho ». L'unité est $\text{kg/m}^3$ ou $\text{g/cm}^3$.
Pour trouver la densité : mesurez la masse avec une balance, trouvez le volume, puis divisez.
- Solide régulier 规则 solide (comme une boîte) : mesurez les côtés et calculez le volume.
- Solide irrégulier 不规则 solide (forme étrange) : immergez-le dans l'eau dans un éprouvette graduée. La montée du niveau d'eau est son volume. C'est la méthode de déplacement 排水法.
- Liquide : placez une éprouvette vide sur la balance et lisez sa masse. Versez le liquide, lisez le volume sur l'éprouvette, et lisez la masse à nouveau. La masse du liquide est la différence entre les deux lectures de masse.
Un objet flotte 漂浮 si sa densité est inférieure à celle du liquide. Il coule si sa densité est supérieure. De même, un liquide flotte sur un autre (si les deux ne se mélangent pas) lorsque sa densité est plus faible : l'huile flotte sur l'eau.
Exemple résolu. Une pierre de masse $54\ \text{g}$ est immergée dans une éprouvette graduée. Le niveau d'eau monte de $20\ \text{cm}^3$ à $40\ \text{cm}^3$. Trouvez la densité de la pierre.
Le volume de la pierre est la montée du niveau d'eau, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, donc
$$\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{20} = 2.7\ \text{g/cm}^3$$
Explorer
Flottabilité et densité
Changez la densité de l'objet et celle du liquide : il flotte s'il est moins dense, et plus il est dense, plus il est immergé. Le fer coule dans l'eau mais flotte sur le mercure.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| density/ˈdensɪti/ | 密度 | mì dù |
| regular solid/ˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ | 规则固体 | guī zé gù tǐ |
| irregular solid/ɪˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ | 不规则固体 | bù guī zé gù tǐ |
| displacement method/dɪˈspleɪsmənt ˈmeθəd/ | 排水法 | pái shuǐ fǎ |
| floats/fləʊts/ | 漂浮 | piāo fú |
| shape/ʃeɪp/ | 形状 | xíng zhuàng |
| extension/ekˈstenʃn/ | 伸长量 | shēn cháng liàng |
| load–extension graph/ləʊd ekˈstenʃn ɡræf/ | 载荷-伸长图 | zài hè - shēn cháng tú |
| limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ | 比例极限 | bǐ lì jí xiàn |
| spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ | 弹簧常数 | tán huáng cháng shù |
| resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ | 合力 | hé lì |
| circular motion/ˈsɜːkjʊlə ˈməʊʃn/ | 圆周运动 | yuán zhōu yùn dòng |
| radius/ˈreɪdɪəs/ | 半径 | bàn jìng |
1.5
Forces
Programme
1.5.1 Effets des forces
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Savoir que les forces peuvent produire des changements dans la taille et la forme d'un objet | 9 Définir la raideur du ressort comme force par unité d'allongement ; rappeler et utiliser l'équation $$k = \frac{F}{x}$$ |
| 2 Tracer, représenter et interpréter des graphiques charge–allongement pour un solide élastique et décrire les procédures expérimentales associées | 10 Définir et utiliser le terme 'limite de proportionnalité' pour un graphique charge–allongement et identifier ce point sur le graphique (une compréhension de la limite élastique n'est pas requise) |
| 3 Déterminer la résultante de deux forces ou plus agissant le long de la même ligne droite | 11 Rappeler et utiliser l'équation $F = ma$ et savoir que la force et l'accélération sont dans la même direction |
| 4 Savoir qu'un objet reste au repos ou continue en ligne droite à vitesse constante sauf s'il est soumis à une force résultante | |
| 5 Énoncer qu'une force résultante peut modifier la vitesse d'un objet en changeant sa direction de mouvement ou sa rapidité | 12 Décrire, qualitativement, le mouvement sur une trajectoire circulaire dû à une force perpendiculaire au mouvement comme suit : (a) la rapidité augmente si la force augmente, masse et rayon constants (b) le rayon diminue si la force augmente, masse et rapidité constantes (c) une masse accrue nécessite une force accrue pour maintenir la rapidité et le rayon constants ($F = \frac{mv^2}{r}$ n'est pas requis) |
| 6 Décrire la friction solide comme la force entre deux surfaces qui peut entraver le mouvement et produire de la chaleur | |
| 7 Savoir que la friction (frottement fluide) agit sur un objet se déplaçant dans un liquide | |
| 8 Savoir que la friction (frottement fluide) agit sur un objet se déplaçant dans un gaz (ex. : résistance de l'air) |
1.5.2 Effet de rotation des forces
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Décrire le moment d'une force comme une mesure de son effet de rotation et donner des exemples quotidiens | |
| 2 Définir le moment d'une force comme $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$ ; mémoriser et utiliser cette équation | |
| 3 Appliquer le principe des moments à des situations avec une force de chaque côté du pivot, y compris l'équilibrage d'une poutre | 5 Appliquer le principe des moments à d'autres situations, y compris celles avec plus d'une force de chaque côté du pivot |
| 4 Énoncer que, lorsqu'il n'y a ni force résultante ni moment résultant, un objet est en équilibre | 6 Décrire une expérience démontrant qu'il n'y a pas de moment résultant sur un objet en équilibre |
1.5.3 Centre de gravité
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Énoncer ce que signifie le centre de gravité | |
| 2 Décrire une expérience pour déterminer la position du centre de gravité d'une lamelle plane de forme irrégulière | |
| 3 Décrire, qualitativement, l'effet de la position du centre de gravité sur la stabilité d'objets simples |
Source : Programme Cambridge International
Une force est une poussée ou une traction. Une force peut modifier la forme 形状, la vitesse ou la direction d'un objet.
Allongement (Loi de Hooke)
Lorsque vous suspendez une charge à un ressort, il s'allonge. Cet allongement est appelé allongement 伸长量.
Sur un graphe charge-allongement 载荷-伸长图, la ligne est droite au début : l'allongement est proportionnel à la charge. Le point où la ligne cesse d'être droite est la limite de proportionnalité 比例极限.
L'expérience. Suspendez le ressort à un support et placez une règle à côté. Lisez la position du bas du ressort sans charge : c'est la longueur initiale. Ajoutez des charges une par une (par exemple 1 N chacune) et enregistrez la nouvelle longueur à chaque fois. L'allongement est la nouvelle moins la longueur initiale. Tracez la charge sur l'axe des y contre l'allongement sur l'axe des x.
La constante de raideur 弹簧常数 est la force par unité d'allongement :
$$k = \frac{F}{x}$$
Une grande $k$ signifie un ressort rigide.
Force résultante et lois de Newton
Additionnez les forces sur une ligne droite pour obtenir la force résultante 合力 (les forces dans un sens sont positives, dans l'autre sens négatives).
- Si la force résultante est nulle, l'objet reste au repos ou continue de se déplacer en ligne droite à vitesse constante. (Première loi de Newton.)
- Si la force résultante n'est pas nulle, l'objet accélère dans la direction de la force :
$$F = ma$$
Exemple résolu. Une voiture de $1200\ \text{kg}$ a une force motrice de $3000\ \text{N}$ et une friction de $600\ \text{N}$. Trouvez son accélération.
Trouvez d'abord la force résultante : $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Ensuite
$$a = \frac{F}{m} = \frac{2400}{1200} = 2.0\ \text{m/s}^2$$
Mouvement circulaire
Une force résultante perpendiculaire au mouvement ne change pas la vitesse. Elle change la direction, donc l'objet se déplace en cercle à vitesse constante. C'est le mouvement circulaire 圆周运动. La force pointe toujours vers le centre du cercle : la tension d'une corde sur une balle en rotation, ou la gravité du Soleil sur une planète.
Pour un objet en mouvement circulaire :
- une force plus grande est nécessaire pour maintenir la même masse se déplaçant à une vitesse plus élevée dans un cercle de même rayon 半径;
- une force plus grande fait se déplacer la même masse à la même vitesse dans un cercle plus petit (un rayon plus petit);
- une masse plus grande nécessite une force plus grande pour maintenir la même vitesse et le même rayon.
Frottement
Frottement 摩擦力 est la force entre deux surfaces en contact. Elle tente d'arrêter le mouvement et provoque un échauffement. La traînée (frottement dans un liquide ou un gaz, comme la résistance de l'air) ralentit aussi les objets.
Moments — effet de rotation
Le moment 力矩 d'une force est son effet de rotation autour d'un point d'appui 支点.
$$\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$$
L'unité est le newton mètre (N m).
Principe des moments 力矩原理 : lorsqu'un objet est en équilibre (équilibre 平衡),
$$\text{total clockwise moment} = \text{total anticlockwise moment}$$
Un objet est en équilibre lorsqu'il n'y a ni force résultante ni moment résultant.
Exemple résolu. Un poids de $30\ \text{N}$ est placé à $0.20\ \text{m}$ à gauche d'un pivot. À quelle distance à droite doit être placé un poids de $20\ \text{N}$ pour équilibrer la poutre ?
Équilibré, donc moment antihoraire $=$ moment horaire:
$$30 \times 0.20 = 20 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{6.0}{20} = 0.30\ \text{m}$$
Vérification du principe par expérience. Équilibrez une règle de un mètre à son centre sur un pivot. Suspendez un poids connu de chaque côté et déplacez-les jusqu'à ce que la règle soit de nouveau équilibrée. Mesurez chaque distance depuis le pivot. Force × distance à gauche égale force × distance à droite, dans les petites erreurs de mesure, donc il n'y a pas de moment résultant sur un objet équilibré.
Centre de gravité
Le centre de gravité 重心 est le point unique où toute la weight of an object seems to act.
Pour une forme plane (lamelle 薄片), suspendez-la à une épingle et laissez-la se stabiliser ; tracez une ligne verticale vers le bas depuis l'épingle en utilisant une fil à plomb. Répétez depuis un autre point. Le centre de gravité est l'intersection des lignes.
La stabilité 稳定性 d'un objet dépend de l'emplacement de son centre de gravité. Un objet est plus stable 稳定 lorsque son centre de gravité est bas et sa base large. Il bascule lorsque la ligne verticale descendante depuis le centre de gravité passe hors de la base.
Explorer
Forces & lois de Newton
F = ma (résultante)
La force résultante impose l'accélération ; des forces équilibrées ⇒ aucune accélération.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| weight/weɪt/ | 重力 | zhòng lì |
| friction/ˈfrɪkʃn/ | 摩擦力 | mó cā lì |
| moment/ˈməʊmənt/ | 力矩 | lì jǔ |
| pivot/ˈpɪvət/ | 支点 | zhī diǎn |
| principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ | 力矩原理 | lì jǔ yuán lǐ |
| equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | 平衡 | píng héng |
| centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ | 重心 | zhòng xīn |
| lamina/ˈlæmɪnə/ | 薄片 | báo piàn |
| stability/stəˈbɪlɪti/ | 稳定性 | wěn dìng xìng |
| stable/ˈsteɪbl/ | 稳定 | wěn dìng |
1.6
Impulsion
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Définir la quantité de mouvement comme masse $\times$ vitesse ; mémoriser et utiliser l'équation $p = mv$ | |
| 2 Définir l'impulsion comme force $\times$ temps pendant lequel la force agit ; mémoriser et utiliser l'équation $\text{impulse} = F\Delta t = \Delta(mv)$ | |
| 3 Appliquer le principe de conservation de la quantité de mouvement pour résoudre des problèmes simples en une dimension | |
| 4 Définir la force résultante comme le changement de quantité de mouvement par unité de temps ; mémoriser et utiliser l'équation $F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$ |
Source : Programme Cambridge International
Quantité de mouvement est la masse multipliée par la vitesse. C'est un vecteur.
$$p = mv$$
Impulsion 冲量 est la force multipliée par le temps pendant lequel elle agit, et elle est égale au changement de quantité de mouvement :
$$\text{impulse} = F\,\Delta t = \Delta(mv)$$
Ainsi, la force résultante est le changement de quantité de mouvement par unité de temps :
$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$$
Conservation de la quantité de mouvement 动量守恒 : lorsque des objets entrent en collision et qu'aucune force extérieure n'agit, la quantité de mouvement totale avant est égale à la quantité de mouvement totale après.
$$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2$$
(Ici $u$ est une vitesse avant et $v$ est une vitesse après.)
Exemple résolu. Un chariot de $2.0\ \text{kg}$ se déplaçant à $3.0\ \text{m/s}$ heurte un chariot stationnaire de $1.0\ \text{kg}$ et ils collent ensemble. Trouvez leur vitesse commune ensuite.
La quantité de mouvement totale est conservée, donc
$$(2.0 \times 3.0) + (1.0 \times 0) = (2.0 + 1.0)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{6.0}{3.0} = 2.0\ \text{m/s}$$
Explorer
Quantité de mouvement dans une collision
Réglez les masses et les vitesses et faites-les entrer en collision. La quantité de mouvement totale est conservée.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| momentum/məʊˈmentəm/ | 动量 | dòng liàng |
| electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ | 电场强度 | diàn chǎng qiáng dù |
| gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ | 重力场强度 | zhòng lì chǎng qiáng dù |
| resultant/rɪˈzʌltənt/ | 合矢量 | hé shǐ liàng |
| motion/ˈməʊʃn/ | 运动 | yùn dòng |
| impulse/ˈɪmpʌls/ | 冲量 | chōng liàng |
| conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ | 动量守恒 | dòng liàng shǒu héng |
| stored/stɔːd/ | 储存 | chǔ cún |
| kinetic/kɪˈnetɪk/ | 动能 | dòng néng |
| gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ | 重力势能 | zhòng lì shì néng |
| chemical/ˈkemɪkl/ | 化学能 | huà xué néng |
| elastic (strain)/ɪˈlæstɪk/ | 弹性势能 | tán xìng shì néng |
| nuclear/ˈnjuːklɪə/ | 核能 | hé néng |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | 静电能 | jìng diàn néng |
| internal (thermal)/ɪnˈtɜːnl/ | 内能 | nèi néng |
| transferred/trænsˈfɜːd/ | 转移 | zhuǎn yí |
| principle of conservation of energy/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | 能量守恒定律 | néng liàng shǒu héng dìng lǜ |
| Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ | 桑基图 | sāng jī tú |
| wasted/ˈweɪstɪd/ | 浪费 | làng fèi |
| work done/wɜːk dʌn/ | 做功 | zuò gōng |
1.7
Énergie, travail et puissance
Programme
1.7.1 Énergie
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Énoncer que l'énergie peut être stockée sous forme de cinétique, potentielle gravitationnelle, chimique, élastique (déformation), nucléaire, électrostatique et interne (thermique) | |
| 2 Décrire comment l'énergie est transférée entre les réservoirs lors d'événements et de processus, y compris les exemples de transfert par des forces (travail mécanique), des courants électriques (travail électrique), le chauffage, et par des ondes électromagnétiques, sonores et autres ondes | |
| 4 Mémoriser et utiliser l'équation de l'énergie cinétique $E_k = \frac{1}{2}mv^2$ | |
| 5 Mémoriser et utiliser l'équation de la variation de l'énergie potentielle gravitationnelle $\Delta E_p = mg\Delta h$ | |
| 3 Connaître le principe de la conservation de l'énergie et appliquer ce principe à des exemples simples incluant l'interprétation de diagrammes de flux simples | 6 Connaître le principe de conservation de l'énergie et l'appliquer à des exemples complexes impliquant plusieurs étapes, y compris l'interprétation de diagrammes de Sankey |
1.7.2 Travail
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Comprendre que le travail mécanique ou électrique effectué est égal à l'énergie transférée | |
| 2 Mémoriser et utiliser l'équation du travail mécanique $W = Fd = \Delta E$ |
1.7.3 Ressources énergétiques
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Décrire comment de l'énergie utile peut être obtenue, ou de la puissance électrique générée, à partir de : (a) énergie chimique stockée dans les combustibles fossiles (b) énergie chimique stockée dans les biocarburants (c) eau, y compris l'énergie stockée dans les vagues, les marées et l'eau derrière les barrages hydroélectriques (d) ressources géothermiques (e) combustible nucléaire (f) lumière du Soleil pour générer de l'électricité (cellules solaires) (g) rayonnement infrarouge et autres ondes électromagnétiques du Soleil pour chauffer l'eau (panneaux solaires thermiques) et être la source d'énergie éolienne, y compris des références à une chaudière, une turbine et un générateur lorsqu'ils sont utilisés | 4 Savoir que le rayonnement solaire est la principale source d'énergie pour toutes nos ressources énergétiques, sauf géothermique, nucléaire et tidale |
| 2 Décrire les avantages et inconvénients de chaque méthode en termes de renouvelabilité, disponibilité, fiabilité, échelle et impact environnemental | 5 Savoir que l'énergie est libérée par fusion nucléaire dans le Soleil |
| 6 Savoir que des recherches sont menées pour étudier comment l'énergie libérée par la fusion nucléaire peut être utilisée pour produire de l'électricité à grande échelle | |
| 3 Comprendre, qualitativement, le concept d'efficacité du transfert d'énergie | 7 Définir l'efficacité comme : (a) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (b) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$ mémoriser et utiliser ces équations |
1.7.4 Puissance
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Définir la puissance comme le travail effectué par unité de temps et également comme l'énergie transférée par unité de temps ; mémoriser et utiliser les équations (a) $P = \frac{W}{t}$ (b) $P = \frac{\Delta E}{t}$ |
Source : Programme Cambridge International
Stocks d'énergie
L'énergie peut être stockée 储存 de différentes façons : cinétique 动能, gravitationnelle potentielle 重力势能, chimique 化学能, élastique (de déformation) 弹性势能, nucléaire 核能, électrostatique 静电能 et interne (thermique) 内能.
L'énergie est transférée 转移 entre les stocks par des forces (travail mécanique), par des courants électriques, par chauffage et par ondes (telles que la lumière et le son).
Énergie cinétique et énergie potentielle
L'énergie cinétique est l'énergie d'un objet en mouvement :
$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$
La variation de l'énergie gravitationnelle potentielle lorsqu'un objet monte ou descend d'une hauteur $\Delta h$ :
$$\Delta E_p = mg\,\Delta h$$
Conservation de l'énergie
Le principe de conservation de l'énergie 能量守恒定律 stipule que l'énergie n'est ni créée ni détruite ; elle se déplace seulement entre les stocks. Un objet qui tombe transforme l'énergie gravitationnelle potentielle en énergie cinétique. Un diagramme de Sankey 桑基图 montre comment l'énergie d'entrée se divise en énergie utile et perdue 浪费 énergie.
Exemple résolu. Une balle de $0.50\ \text{kg}$ est lâchée d'une hauteur de $1.8\ \text{m}$. En négligeant la résistance de l'air, trouvez sa vitesse juste avant qu'elle ne touche le sol. (Prenne $g = 10\ \text{m/s}^2$.)
Toute l'énergie potentielle gravitationnelle devient énergie cinétique, donc $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. La masse s'annule, laissant $v^2 = 2g\,\Delta h$ :
$$v = \sqrt{2 \times 10 \times 1.8} = \sqrt{36} = 6.0\ \text{m/s}$$
Comme la masse s'annule, tout objet lâché de cette hauteur atterrira à la même vitesse.
Travail
Le travail effectué 做功 est égal à l'énergie transférée. Lorsqu'une force déplace un objet :
$$W = Fd = \Delta E$$
L'unité du travail et de l'énergie est le joule 焦耳 (J).
Puissance
La puissance 功率 est le travail effectué (ou l'énergie transférée) par unité de temps.
$$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}$$
L'unité est le watt 瓦特 (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.
Rendement
L'efficacité 效率 indique quelle partie de l'énergie d'entrée devient de l'énergie utile.
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%$$
L'efficacité est toujours inférieure à 100 % car une partie de l'énergie est toujours perdue (généralement sous forme de chaleur). La même idée fonctionne avec la puissance :
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%$$
Exemple résolu. Un moteur reçoit $200\ \text{J}$ d'énergie électrique et soulève une charge, lui conférant $150\ \text{J}$ d'énergie gravitationnelle potentielle. Trouvez son efficacité.
$$\text{efficiency} = \frac{150}{200} \times 100\% = 75\%$$
Ressources énergétiques
Nous produisons de l'électricité à partir de nombreuses ressources énergétiques. La plupart font tourner une turbine qui actionne un générateur – souvent en faisant bouillir de l'eau pour produire de la vapeur (combustibles fossiles, combustible nucléaire, géothermie, biocarburants), ou directement par le mouvement de l'eau ou de l'air (hydroélectrique, vagues, marées, vent). Les cellules solaires produisent de l'électricité directement à partir de la lumière du soleil ; les panneaux solaires chauffent l'eau.
| Ressource | Renouvelable ? | Remarques |
|---|---|---|
| combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) | non | fiable, forte production, mais CO₂ et pollution |
| combustible nucléaire | non | très forte production, pas de CO₂, mais déchets radioactifs |
| biocarburants | oui | approximativement neutre en carbone si replantés |
| hydroélectrique | oui | fiable, mais un barrage inonde des terres |
| vent | oui | propre, mais intermittent |
| solaire | oui | propre, mais uniquement pendant la journée |
| géothermique / marée | oui | fiable mais limité à certaines zones |
Lorsque vous comparez les ressources, utilisez ces cinq concepts : renouvelabilité 可再生性 (va-t-elle s'épuiser ?), disponibilité 可用性 (est-elle toujours là ? le vent peut cesser et le soleil se couche), fiabilité 可靠性 (donne-t-il une production stable ?), échelle 规模 (combien d'énergie peut-il fournir ?) et impact environnemental 环境影响 (pollution, dioxyde de carbone, terres inondées par un barrage).
La plupart d'elles remontent au Soleil (les combustibles fossiles sont de l'ancien soleil stocké ; le vent et les vagues proviennent du réchauffement solaire) – les exceptions sont l'énergie géothermique, nucléaire et tidale (marémotrice). Le Soleil lui-même est alimenté par la fusion nucléaire 核聚变, joignant des noyaux d'hydrogène en hélium. Les chercheurs étudient comment utiliser la fusion dans des centrales sur Terre, mais aucun réacteur à fusion n'a encore produit plus d'énergie électrique qu'il n'en a consommé.
Explorer
Flux d'énergie & efficacité
L'énergie d'entrée se divise en sortie utile et énergie gaspillée ; l'efficacité est la fraction utile, et le total est toujours conservé.
Explorer
Conservation de l'énergie
Laissez tomber l'objet : l'ÉPE se transforme en ÉCIN, et le total reste identique en l'absence de frottement.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| measurement/ˈmeʒəmənt/ | 测量 | cè liáng |
| ruler/ˈruːlə/ | 直尺 | zhí chǐ |
| measuring cylinder/ˈmeʒərɪŋ ˈsɪlɪndə/ | 量筒 | liáng tǒng |
| meniscus/ˈmenɪskəs/ | 弯月面 | wān yuè miàn |
| stopwatch/ˈstɒpwɒtʃ/ | 秒表 | miǎo biǎo |
| digital timer/ˈdɪdʒɪtl ˈtaɪmə/ | 数字计时器 | shù zì jì shí qì |
| reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ | 反应时间 | fǎn yìng shí jiān |
| measure many and divide/ˈmeʒə ˈmeni ænd dɪˈvaɪd/ | 测多个再相除 | cè duō gè zài xiāng chú |
| pendulum/ˈpendjʊləm/ | 摆 | bǎi |
| period/ˈpɪərɪəd/ | 周期 | zhōu qī |
| uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ | 不确定度 | bù què dìng dù |
| scalar quantity/ˈskeɪlə ˈkwɒntɪti/ | 标量 | biāo liàng |
| joule/dʒuːl/ | 焦耳 | jiāo ěr |
| power/ˈpaʊə/ | 功率 | gōng lǜ |
| watt/wɒt/ | 瓦特 | wǎ tè |
| efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ | 效率 | xiào lǜ |
| renewability/rɪˌnjuːəˈbɪlɪti/ | 可再生性 | kě zài shēng xìng |
| availability/əˌveɪləˈbɪlɪti/ | 可用性 | kě yòng xìng |
| reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/ | 可靠性 | kě kào xìng |
| scale/skeɪl/ | 规模 | guī mó |
| environmental impact/enˌvaɪrənˈmentl ˈɪmpækt/ | 环境影响 | huán jìng yǐng xiǎng |
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | 核聚变 | hé jù biàn |
1.8
Pression 压强
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Définir la pression comme force par unité de surface ; rappeler et utiliser l'équation $p = \frac{F}{A}$ | |
| 2 Décrire comment la pression varie avec la force et la surface dans le contexte d'exemples quotidiens | |
| 3 Décrire, qualitativement, comment la pression sous la surface d'un liquide change avec la profondeur et la densité du liquide | 4 Mémoriser et utiliser l'équation de la variation de pression sous la surface d'un liquide $\Delta p = \rho g \Delta h$ |
Source : Programme Cambridge International
La pression est la force par unité de surface.
$$p = \frac{F}{A}$$
L'unité est le pascal 帕斯卡 (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.
Une petite surface donne une grande pression (un couteau tranchant coupe bien). Une grande surface donne une faible pression (les raquettes à neige empêchent de couler).
Pression dans un liquide
Dans un liquide, la pression augmente avec la profondeur 深度 et avec la densité du liquide :
$$\Delta p = \rho g \,\Delta h$$
C'est pourquoi un barrage est construit plus épais en bas, où la pression de l'eau est la plus grande. La pression dans un liquide agit dans toutes les directions.
Exemple résolu. Trouvez la pression supplémentaire à une profondeur de $2.0\ \text{m}$ dans l'eau (densité $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).
$$\Delta p = \rho g\,\Delta h = 1000 \times 10 \times 2.0 = 20\,000\ \text{Pa}$$
Explorer
Pression
p = ρg·h
La pression dans un liquide est proportionnelle à la profondeur.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| pressure/ˈpreʃə/ | 压强 | yā qiáng |
| pascal/ˈpæskl/ | 帕斯卡 | pà sī kǎ |
| depth/depθ/ | 深度 | shēn dù |
1.8
Conseils d'examen
- Sur un graphique distance–temps, la pente est la vitesse ; sur un graphique vitesse–temps, la pente est l'accélération et la surface sous la ligne est la distance parcourue. Ne jamais lire un graphique comme s'il était l'autre.
- La masse (kg) est la quantité de matière et est la même partout ; le poids (N) est la force de gravité, $W = mg$. Sur la Lune, votre masse reste inchangée mais votre poids est plus faible.
- La vitesse est un scalaire ; la vitesse vectorielle (vitesse) est un vecteur. Quelque chose se déplaçant à vitesse constante autour d'une courbe accélère encore, car sa direction change constamment.
- Dans la loi de Hooke, la charge est proportionnelle à l'allongement seulement jusqu'à la limite de proportionnalité. Utilisez l'allongement (longueur étirée − longueur originale), jamais la longueur totale.
- La quantité de mouvement $p = mv$ est conservée lors d'une collision. Donnez à chaque vitesse un signe $+$ ou $-$ pour sa direction avant de les additionner.
- Convertissez d'abord les unités (cm → m, g → kg). Utilisez $p = F/A$ pour un solide appuyant sur une surface, mais $p = \rho g h$ pour la pression à l'intérieur d'un liquide — ce sont des formules différentes.
Leçons interactives sur ce sujet
Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.