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CAPES de Sciences physiques

TOME1 - PHYSIQUE

COURS ET EXERCICES

NicolasBILLY?JeanDESBOIS

Marie-Alix

DUVAL?MadyELIAS?PascalMONCEAU

Aude

PLASZCZYNSKI?MichelTOULMONDE

BELIN

8, rue Férou 75278 Paris cedex 06

www.editions-belin.com BELIN

Physique

3 e

édition

4067_00_p001_002 22/11/05 17:09 Page 1

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RUNEAUX,M.SAINT-JEANet J. MATRICON

DANS LA COLLECTIONBELINSUPHISTOIRE DESSCIENCES

R.LEHOUCQ ETJ.-P. UZAN

Les constantes fondamentales

O. D

ARRIGOL

Les Žquations de Maxwell.De MacCullagh ˆ Lorentz A. B

ARBEROUSSE

La mŽcanique statistique.De Clausius ˆ Gibbs M. B LAY La science du mouvement.De GalilŽe ˆ Lagrange Aude Plaszczynski et Marie-Alix Duval remercient respectivement Daniel AndrŽ

et Henri Sergolle dont les excellents polycopiŽs ont inspirŽ des parties des chapitres 8 et 10.

SchŽmas: Laurent Blondel/CorŽdoc

4067_00_p001_002 22/11/05 17:09 Page 2

Sommaire

1.MÉCANIQUE(Pascal Monceau)........................................ 13

Dynamique dupoint matériel............................................... 15 Grandeurs cinétiques fondamentales........................................ 15 Principe de l"inertie; référentiels galiléens (1 re loi de Newton).................... 15 Principe fondamental de la dynamique. Référentiels galiléens (2 e loi de Newton).... 16

Principe des actions réciproques (3

e loi de Newton)............................ 16 Principe fondamental de la dynamique. Cas des référentiels non galiléens.......... 17 Théorème du moment cinétique............................................ 18 Théorème de l"énergie cinétique............................................ 18 Interactions conservatives. Énergie potentielle, énergie mécanique................ 19 Forces centrales......................................................... 20 Oscillateur harmoniqueà unedimension. Oscillationslibres.................. 20 Mouvement d"une particule au voisinage d"une position d"équilibre stable.......... 20 Oscillateur harmonique unidimensionnel non amorti........................... 21 Oscillateur harmonique unidimensionnel amorti par frottement uide............. 21 Aspect énergétique....................................................... 23 Oscillationsforcées: l'oscillateurharmoniqueentretenu; résonance........... 23 Recherche du régime permanent........................................... 23 Comportement de la réponse en amplitude en fonction de la fréquence............ 24 Aspect énergétique....................................................... 25 Mécanique dessystèmes.................................................... 26 Préliminaire............................................................ 26 Centre d"inertie; référentiel barycentrique.................................... 26 Quantité de mouvement.................................................. 27 Moment cinétique....................................................... 27 Énergie cinétique. Conservation de l"énergie.................................. 28 Théorèmes de Koenig.................................................... 29 Réduction canonique du problème à deux corps............................... 29 Mécanique dusolideindéformable.......................................... 30 Éléments de cinématique du solide......................................... 30 Moment cinétique, énergie cinétique, opérateur d"inertie........................ 31 Solide en rotation autour d"un axe xe....................................... 32 Moments d"inertie à connaître............................................. 33 Théorème de Huygens................................................... 34 Contact entre solides. Frottement de glissement, lois de Coulomb................ 34 Roulement sans glissement................................................ 35 Statiquedesuides......................................................... 36 Notion de pression....................................................... 36 Loi fondamentale de l"hydrostatique........................................ 36 3 Théorème d'Archimède................................................... 36 Exercices................................................................... 37 Solutions................................................................... 62

2.ÉLECTROMAGNÉTISME(Mady Elias)............................... 121

Électrostatique: charges-forces-champ et potentiel électrostatiques......... 124 Les charges électriques................................................... 124 L'interaction coulombienne................................................ 124 Le champ électrostatique.................................................. 124 Le potentiel électrostatique................................................ 125 Théorème de Gauss...................................................... 126 Leséquationslocales del'électrostatique..................................... 127 Circulation conservative.................................................. 127 Expression locale du théorème de Gauss..................................... 128 Propriétés du potentiel................................................... 129 Dénition et continuité des champs et des potentiels........................... 130 Lesconducteursen électrostatique.......................................... 131 Conducteur en équilibre électrostatique - champ et potentiel.................... 131 Capacité d'un conducteur seul dans l'espace.................................. 131 Plusieurs conducteurs en équilibre électrostatique.............................. 132 Inuence totale......................................................... 132 Condensateurs.......................................................... 132 Énergiepotentielled'interactionélectrostatique.............................. 133 Système de charges ponctuelles............................................. 133 Distribution continue de charges........................................... 133 Distribution volumique de charges.......................................... 133 Énergie associée au champ électrique........................................ 133 Utilisation de l'énergie pour le calcul des forces électrostatiques.................. 134 Magnétostatique:champ et forcemagnétiques............................... 134 Force magnétique........................................................ 134 Champ magnétique : loi de Biot et Savart.................................... 135

Exemples de calcul de

Bà partir de la loi de Biot et Savart..................... 135 Symétriesduchamp magnétique. Théorème d'Ampère....................... 136 Symétries par rapport à un plan............................................ 136 Symétries par rapport à un plan1inversion du sens des courants (transformation S.I.)137 Circulation du champ magnétique.......................................... 137 Potentiel-vecteur. Flux et circulationduchamp magnétique................... 139 Le potentiel-vecteur..................................................... 139 Flux du champ magnétique................................................ 140 Équation locale portant sur le potentiel-vecteur............................... 140 Relations de passage pour le champ magnétique............................... 141 Inductionélectromagnétique............................................... 141 Expérience fondamentale de Faraday (1831).................................. 141 Autres conditions de manifestation du phénomène d'induction................... 143 Induction mutuelle et auto-induction dans l'approximation des régimes quasi- stationnaires ............................................................ 143 4 Étude d'une bobine réelle dans l'approximation des régimes quasi-stationnaires..... 144 Lemoteurà courantcontinu................................................ 144 Constitution d'un moteur................................................. 144 Phénomène d'induction.................................................. 145 Couple électromagnétique................................................. 146 Moteur à excitation indépendante (ou séparée)................................ 147 Moteur à excitation série.................................................. 148 Leséquationsdel'électromagnétismeen régimevariable...................... 149 Équation de continuité (conservation de la charge électrique).................... 149 Équation de Maxwell - Ampère............................................ 149 Potentiels.............................................................. 150 Ondesélectromagnétiquesdanslevide...................................... 151 Équation de propagation.................................................. 151 Une solution particulièrement simple : l'onde plane homogène................... 151 Ondes sinusoïdales. Polarisation............................................ 152 Énergie électromagnétique : densité volumique et ux.......................... 153 Vue d'ensemble des radiations électromagnétiques............................. 154 Électromagnétismedela matière: étudemacroscopiquedesdiélectriques...... 154

Mise en évidence du rôle des diélectriques en électrostatique : polarisation induite... 154

Vecteur polarisation

P................................................... 154 Susceptibilité électroniquexe.............................................. 155 Répartition des charges de polarisation...................................... 155 Potentiel et champ à l'intérieur du diélectrique................................ 155 Équations de Maxwell et conséquences...................................... 156 Électromagnétismedela matière: étudemicroscopiquedesdiélectriques...... 156 Polarisation électronique des atomes........................................ 156 Polarisation des molécules................................................. 157 Bilan des polarisations des diélectriques...................................... 157 Électromagnétismedela matière: milieux aimantés.......................... 158 Dipôle magnétique...................................................... 158 Moments dipolaires magnétiques dans la matière.............................. 159 Description d'un échantillon de matière aimantée.............................. 160 Équations de Maxwell dans la matière aimantée............................... 160 Exercices................................................................... 161 Solutions................................................................... 198

3.ÉLECTROCINÉTIQUE(Michel Toulmonde)........................... 255

L'interactionélectrique..................................................... 257 Domaines d'étude....................................................... 257 Les interactions en physique............................................... 257 Le champ électrique..................................................... 257 Le potentiel électrique.................................................... 258 Capacité électrique....................................................... 259 Lescircuitsélectriques..................................................... 260 Courant électrique....................................................... 260 Loi d'Ohm pour un conducteur............................................ 261

SOMMAIRE5

Dipôle électrocinétique................................................... 261 Résistance pure (conducteur ohmique)....................................... 263 Loi d'Ohm généralisée................................................... 264 Lois des circuits électriques (lois générales)................................... 266 Loi de Joule, énergie, puissance............................................ 269 Lesrégimes sinusoïdaux.................................................... 270 Grandeurs sinusoïdales................................................... 270 Intensité efcace (effet Joule).............................................. 271 Loi d'Ohm en régime sinusoïdal (circuit RLC série)........................... 271 Circuit oscillant"parallèle»(circuit bouchon)............................... 274 Puissance en régime sinusoïdal............................................. 274 Lesrégimes variables....................................................... 276 Régime transitoire avecR,LouC.......................................... 276 Charge et décharge d'un condensateur....................................... 276 Courant transitoire dans une bobine........................................ 277 Décharge d'un condensateur dans une bobine (RLCsérie)....................... 278 Mesurededéphasage à l'oscilloscope........................................ 280 Exercices................................................................... 281 Solutions................................................................... 287

4.ÉLECTRONIQUE(Mady Elias)........................................ 301

Réseaux linéaires en régimepermanent...................................... 303 Lois de Kirchhoff........................................................ 303 Théorème de superposition................................................ 303 Théorème de Thévenin................................................... 303 Théorème de Norton..................................................... 304 Théorème de Millman.................................................... 304 Conseils d'utilisation..................................................... 305 Diodes.................................................................... 305 Semi-conducteurs....................................................... 305 Jonction p-n d'une diode semi-conductrice................................... 306 Caractéristiques d'une diode............................................... 308 Applications............................................................ 309 Transistors................................................................. 310 Description du transistor bipolaire npn...................................... 310 Le transistor amplicateur................................................ 312 Amplicateuropérationnel ouamplicateur dedifférenceintègre............. 314 L'amplicateur opérationnel............................................... 314 Fonctionnement de l'A.O. en régime linéaire................................. 316 Fonctionnement en régime de saturation..................................... 316 L'amplicateur opérationnel réel............................................ 317 Écarts à la perfection des A.O. réels......................................... 318 Modulations............................................................... 318 Principe de la modulation................................................. 318 Modulation d'amplitude.................................................. 319 Modulation de fréquence................................................. 322 6 Conversions numérique-analogique et analogique-numérique................ 324 Généralités sur la conversion............................................... 324 Conversion numérique-analogique (CNA)................................... 325 Conversion analogique numérique (CAN)................................... 326 Exercices................................................................... 327 Solutions................................................................... 349

5.ONDES(Jean Desbois).................................................. 383

Introduction............................................................... 384 Équations d'ondes....................................................... 384 Propagation unidimensionnelle (ondes planes)................................ 384 Dispersion............................................................. 386quotesdbs_dbs6.pdfusesText_12