physique 4

Chap. 1

Le système International d'unités (SI) et unités dérivées

1. Le Système International d'unités (SI)

Le Système International d'unités (SI) est la référence universelle pour exprimer les grandeurs physiques. Il repose sur 7 unités de base, appelées unités fondamentales, à partir desquelles toutes les autres unités sont dérivées.

Grandeur	Unité fondamentale	Symbole
Longueur / distance	mètre	m
Masse	kilogramme	kg
Temps	seconde	s
Intensité du courant électrique	ampère	A
Température	kelvin	K
Quantité de matière	mole	mol
Intensité lumineuse	candela	cd

Toutes les autres unités physiques sont des unités dérivées, construites à partir de ces unités fondamentales.

2. Unités dérivées courantes

Les unités dérivées s'obtiennent en combinant les unités fondamentales selon les relations physiques.

Grandeur	Expression en SI	Unité dérivée	Symbole
Force	masse × accélération	newton	N
	$1\,\mathrm{N} = 1\,\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m/s}^2$
Travail / Énergie	force × distance	joule	J
	$1\,\mathrm{J} = 1\,\mathrm{N} \cdot \mathrm{m} = 1\,\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}^2/\mathrm{s}^2$

3. Règles clés à retenir

Le SI est un système cohérent : les unités dérivées s’expriment sans facteur supplémentaire.
Les symboles des unités ne prennent pas de pluriel ni de point.
Les unités fondamentales sont indépendantes et universelles.
Les unités dérivées permettent de mesurer toutes les grandeurs physiques rencontrées en physique.

Le système International d’unités (SI) repose sur 7 unités fondamentales, à partir desquelles toutes les autres unités dérivées sont construites.

Chap. 2

Les préfixes et conversions d'unités

1. Les préfixes en physique

Les préfixes permettent de simplifier l’écriture des unités en multipliant ou divisant par des puissances de 10. Ils s’ajoutent devant une unité pour indiquer un facteur de grandeur.

Facteur	Préfixe	Symbole
$10^{18}$	exa	E
$10^{15}$	peta	P
$10^{12}$	téra	T
$10^{9}$	giga	G
$10^{6}$	méga	M
$10^{3}$	kilo	k
$10^{2}$	hecto	h
$10^{1}$	déca	da

Facteur	Préfixe	Symbole
$10^{-1}$	déci	d
$10^{-2}$	centi	c
$10^{-3}$	milli	m
$10^{-6}$	micro	μ
$10^{-9}$	nano	n
$10^{-12}$	pico	p
$10^{-15}$	femto	f
$10^{-18}$	atto	a

2. Conversion d’unités avec préfixes

Pour convertir une valeur avec un préfixe en unité de base, multiplier par le facteur correspondant.
Exemple :
$100\, \text{km} = 100 \times 10^{3}\, \text{m} = 100\,000\, \text{m}$
Pour convertir une unité en une autre avec un préfixe différent, exprimer d’abord en unité de base, puis appliquer le nouveau préfixe.
Exemple :
$5\, \text{ms} = 5 \times 10^{-3}\, \text{s} = 5\,000\, \mu\text{s}$

À retenir : Un préfixe indique une puissance de 10 qui multiplie l’unité de base, facilitant ainsi l’écriture et la lecture des grandeurs physiques.

Chap. 3

Constantes et grandeurs physiques fondamentales

1. Constantes et grandeurs physiques fondamentales

Voici les principales constantes et grandeurs physiques à connaître en physique :

Grandeur	Symbole	Valeur	Unité
Vitesse de la lumière dans le vide	$c$	$3,00 \times 10^{8}$	m/s
Charge élémentaire	$e$	$1,60 \times 10^{-19}$	Coulomb (C)
Constante gravitationnelle	$G$	$6,67 \times 10^{-11}$	N·m²/kg²
Constante des gaz parfaits	$R$	$8,3144$	J·K $^{-1}$ ·mol $^{-1}$
Masse de l'électron	$m_e$	$9,11 \times 10^{-31}$	kg
Masse du neutron	$m_n$	$1,675 \times 10^{-27}$	kg
Masse du proton	$m_p$	$1,673 \times 10^{-27}$	kg
Permittivité du vide	$\varepsilon_0$	$8,854 \times 10^{-12}$	F/m (farad par mètre)
Perméabilité du vide	$\mu_0$	$4\pi \times 10^{-7}$	H/m (henry par mètre)

Objet	Masse (kg)	Rayon (km)
Soleil	$1,989 \times 10^{30}$	696 000
Terre	$5,97 \times 10^{24}$	6 371
Lune	$7,34 \times 10^{22}$	1 737

À retenir : Les constantes physiques fondamentales sont des valeurs universelles fixes qui servent de base aux calculs en physique.

2. Électrostatique

a) Corps électrisés et charges électriques

Un corps électrisé possède un excès ou un déficit de charges électriques.
La charge électrique est une grandeur physique fondamentale, notée $q$ , mesurée en coulombs (C).
La charge élémentaire $e = 1,60 \times 10^{-19}$ C est la charge d’un proton (positive) ou d’un électron (négative).

À retenir : La charge électrique est quantifiée en multiples entiers de la charge élémentaire $e$ .

Chap. 4

Corps électrisés et charges électriques

Une barre de verre frottée avec une peau peut exercer une force électrique sur d’autres objets, ce qui révèle la présence d’une interaction électrique. Cette interaction est due à une propriété physique appelée charge électrique, notée $q$ ou $Q$ . L’unité de charge est le coulomb (C). Lorsqu’un objet est chargé par frottement, on dit qu’il a été électrisé.

1. Types de charges électriques

Il existe deux types de charges :
- Charge positive (exemple : barre de verre frottée)
- Charge négative (exemple : barre d’ébonite frottée)
Règles d’interaction entre charges :
- Deux charges de même signe se repoussent
- Deux charges de signes opposés s’attirent

Charge 1	Charge 2	Interaction
Positive	Positive	Répulsion
Négative	Négative	Répulsion
Positive	Négative	Attraction

2. Force électrique

La force électrique est une interaction entre corps électrisés, responsable des phénomènes d’attraction ou de répulsion observés.

3. Loi de conservation de la charge électrique

La charge électrique totale d’un système isolé reste constante au cours du temps. Cela signifie que la charge ne peut ni être créée ni détruite, elle peut seulement être transférée d’un corps à un autre.

À retenir : La charge électrique est une grandeur conservée.

Chap. 5

Loi de conservation de la charge électrique

Lors d'une électrisation par contact (ex. frottements), la charge perdue par un objet est exactement égale à la charge gagnée par l'autre.

1. Expérience type

Objet A porte une charge $Q$ .
Objet B est électriquement neutre (charge nulle).
Mise en contact : la charge se répartit entre A et B.
Après séparation, la somme des charges reste constante :
$Q_A + Q_B = Q$

2. Loi de conservation de la charge électrique

La charge électrique nette d’un système isolé reste constante au cours du temps.

Autrement dit, la charge totale ne peut ni être créée ni détruite, elle se conserve lors des transferts.

Cette loi est fondamentale en électrostatique et explique le comportement des charges lors des électrisations.

Chap. 6

Électrisation et modèle atomique

1. Structure de l'atome

Un atome est constitué d'un noyau contenant des protons (charge positive) et des neutrons (sans charge), entouré d'électrons (charge négative).
Z = nombre de protons = nombre d'électrons dans un atome neutre.
N = nombre de neutrons.
A = nombre de nucléons = $A = N + Z$ .

Particule	Charge électrique	Masse (kg)	Remarque
Électron	$-1,6 \times 10^{-19}$ C	$9 \times 10^{-31}$	Masse ≈ $1/2000$ masse proton
Proton	$+1,6 \times 10^{-19}$ C	$1,7 \times 10^{-27}$	Masse ≈ masse neutron
Neutron	0 C	$1,7 \times 10^{-27}$

La masse de l'atome est essentiellement celle du noyau.
Les électrons sont très mobiles, le noyau est fixe.

2. Échelles de dimensions

Objet	Dimension approximative
Atome	$10^{-10}$ m (1 Å)
Noyau	$10^{-14}$ m
Nucléon	$10^{-15}$ m

3. Charges dans un matériau

Un matériau neutre a des charges positives et négatives égales en valeur absolue : $|Q^+| = |Q^-|$
Un matériau chargé positivement a plus de charges positives : $|Q^+| > |Q^-|$
Un matériau chargé négativement a plus de charges négatives : $|Q^+| < |Q^-|$

On considère ici uniquement les charges ajoutées sur un matériau initialement neutre, en négligeant les charges intrinsèques des atomes.

4. Charge élémentaire et quantification de la charge

La charge élémentaire est la plus petite charge électrique observée : $q_e = 1,6 \times 10^{-19} \text{ C}$
Toute charge électrique est un multiple entier de cette charge élémentaire.

Toute charge électrique $Q$ vérifie :
$Q = n \times q_e \quad \text{avec } n \in \mathbb{Z}$

À retenir :
L'atome est électriquement neutre car il contient autant d'électrons que de protons. La charge électrique est quantifiée en multiples entiers de la charge élémentaire $1,6 \times 10^{-19}$ C.

Chap. 7

Charge élémentaire et quantification de la charge

L'unité de charge électrique est le coulomb (C), une unité relativement grande. On utilise souvent ses sous-multiples pour exprimer des charges plus petites :

Symbole	Valeur en coulombs
mC	$10^{-3}\,\mathrm{C}$
$\mu$ C	$10^{-6}\,\mathrm{C}$
nC	$10^{-9}\,\mathrm{C}$
pC	$10^{-12}\,\mathrm{C}$

La charge élémentaire est la charge portée par un électron, notée $q_e$ ou $e$ , et vaut :

q_e = e = -1,6 \times 10^{-19} \text{ C}

C’est la plus petite charge isolable.

1. Quantification de la charge

Toute charge électrique $Q$ est un multiple entier de la charge élémentaire :

|Q| = N \times |e|

avec $N$ un nombre entier naturel (nombre d’électrons).

À retenir : Toute charge électrique est quantifiée, c’est-à-dire qu’elle est un multiple entier de la charge élémentaire.

2. Classification électrique des matériaux

Les matériaux se distinguent par leur comportement face à l’électricité :

Type de matériau	Exemple	Propriété électrique	Comportement vis-à-vis de la charge
Conducteur	Aluminium	Permet le passage des charges	La charge peut se déplacer facilement, provoquant répulsion ou attraction
Isolant (diélectrique)	Balle de ping-pong	Empêche le passage des charges	La charge reste localisée, provoquant attraction sans déplacement

Expériences illustratives :

Une balle d’aluminium est attirée puis repoussée par une barre de verre frottée, car la charge peut se déplacer sur la balle (conducteur).
Une balle de ping-pong reste collée à la barre de verre frottée, car la charge ne peut pas se déplacer (isolant).

À retenir : Les conducteurs laissent circuler les charges électriques, tandis que les isolants les empêchent de se déplacer.

Chap. 8

Classification électrique des matériaux

1. Classification électrique des matériaux

Les matériaux se classent selon leur capacité à conduire l'électricité en quatre grandes catégories.

Type de matériau	Description	Exemples	Propriétés clés
Diélectriques (isolants)	Ne contiennent pas de charges libres, ne conduisent pas le courant électrique.	Verre, bois, plastiques, air, vide	Caractérisés par leur constante diélectrique.
Semi-conducteurs	Naturellement isolants, mais peuvent libérer des charges sous apport d'énergie.	Silicium (Si), Germanium (Ge), Arséniure de gallium (GaAs)	Leur comportement électrique est modulable ; base de la microélectronique.
Conducteurs	Contiennent des électrons libres qui assurent la conduction électrique.	Métaux, alliages	Caractérisés par leur conductivité $\sigma$ ou leur résistivité $\varrho = \frac{1}{\sigma}$ .
Supraconducteurs	Conducteurs parfaits en dessous d'une température critique proche du zéro absolu.	Certains métaux et alliages spécifiques	Permettent de générer des champs magnétiques très élevés.

À retenir : La classification électrique dépend de la présence et de la mobilité des charges libres dans le matériau.

Chap. 9

Modes d'électrisation

1. Modes d'électrisation

L'électrisation correspond au transfert ou à la redistribution de charges électriques entre deux objets.

Mode d'électrisation	Description	Résultat sur les objets A et B
Par frottements	Deux objets sont frottés l'un contre l'autre, provoquant un transfert d'électrons.	A et B ont des signes opposés.
Par contact	Un objet chargé touche un objet neutre, permettant le transfert de charges.	A et B ont le même signe.
Par influence électrique	Un objet chargé est approché d'un objet neutre sans contact, provoquant une séparation des charges dans ce dernier.	A et B ont des signes opposés.

2. Notion de terre électrique

La terre électrique est un réservoir infini de charges qui peut absorber ou fournir des électrons, permettant ainsi de neutraliser un objet chargé.

3. Répartition des charges sur un conducteur

Sur une sphère conductrice, les charges se répartissent uniformément à la surface.
Sur un conducteur de forme quelconque, les charges s'accumulent davantage aux points ou arêtes saillants (effet de pointe).

4. Effet de pointe et cage de Faraday

Effet de pointe : Les charges s'accumulent aux extrémités pointues d'un conducteur, ce qui peut provoquer des décharges électriques.
Cage de Faraday : Un conducteur fermé protège son intérieur des champs électriques externes en redistribuant les charges uniquement à sa surface.

Chap. 10

Répartition des charges et effets électriques

1. Répartition des charges sur un conducteur

Les charges électriques libres se répartissent uniquement à la surface d’un conducteur.
À l’intérieur d’un conducteur, il n’y a pas de charges libres : elles se repoussent et migrent vers la surface.

2. Conséquences expérimentales

Flamme de bougie : la flamme est déviée lorsqu’elle est proche d’un conducteur chargé, montrant la présence de charges à la surface.
Tourniquet : un tourniquet placé sur un conducteur chargé tourne, prouvant que les charges sont mobiles et localisées en surface.

Les charges libres dans un conducteur se déplacent pour s’éloigner les unes des autres, ce qui les conduit à se concentrer à la surface, laissant l’intérieur neutre.