Physique XXI Tome C Ondes et physique moderne

Physique XXI réinvente le manuel de physique en offrant un outil vraiment convivial au lecteur désireux de comprendre et de maîtriser les lois fondamentales qui régissent les phénomènes physiques.

Grâce à sa structure modulaire et flexible, à la clarté de ses démonstrations, à la pertinence des situations concrètes analysées et 'à la rigueur de la présentation des solutions, cet ouvrage se révèle un véritable 'partenaire pédagogique, tant pour les élèves que pour les professeurs.

Une structure simple, modulaire et flexible
Les quatre ou cinq chapitres de chacun des trois tomes sont divisés en sections courtes qui contiennent toutes uni glossaire, des questions conceptuelles et des exercices, ce qui permet au lecteur d'évaluer sa compréhension de chaque sujet avant de passer au suivant. Un organigramme placé au début de chaque chapitre montre les liens entre les sections, rendant possibles des parcours adaptés aux besoins de chacun.

Une approche concrète, des solutions complètes
Les sections sont bâties autour de l'analyse détaillée de mises en situations concrètes. On décrit souvent les situations avant de présenter la théorie nécessaire pour les analyser, rendant ainsi explicites les raisons qui motivent l'introduction de nouveaux éléments de théorie. Les analyses des situations sont très détaillées afin de permettre au lecteur d'apprendre à construire des solutions rigoureuses: les schémas qui doivent accompagner une solution complète sont systématiquement présentés, et on n'omet aucune des étapes logiques et algébriques qui permettent d'obtenir les réponses.

Une iconographie riche et intégrée
Les illustrations et les photos sont étroitement intégrées au texte: plusieurs situations et exercices sont basés sur des photos. Les démonstrations et les solutions particulièrement complexes s'appuient sur plusieurs schémas détaillés qui montrent chacune des étapes de l'analyse.

Des outils de révision et de synthèse
À la fin de chaque chapitre figurent des fiches de synthèse qui exposent de manière schématique les liens principaux reliant les concepts du chapitre, ainsi que des exercices de révision et de synthèse. À la fin du livre se trouve une annexe mathématique complète et détaillée qui permet au lecteur de réviser les notions mathématiques importantes en physique.

Marc Séguin possède un baccalauréat en physique de l'Université de Montréal ainsi que deux maîtrises (astrophysique et histoire des sciences) de l'Université Harvard. Il est co-auteur, avec Benoît Villeneuve, d'Astronomie et astrophysique: cinq grandes idées pour explorer et comprendre l'Univers. Il a été concepteur et narrateur de deux séries d'émissions de vulgarisation scientifique à Radio-Canada: La logique de l'Univers (physique moderne et cosmologie) et Treize leviers pour soulever le monde (histoire des sciences). Julie Descheneau possède un baccalauréat bidisciplinaire en mathématiques-physique et une maîtrise en physique théorique (cosmologie) de l'Université McGill. Benjamin Tardif possède un baccalauréat et une maîtrise en physique de la matière condensée de l'Université de Montréal. Tous les trois enseignent la physique au Collège de Maisonneuve, à Montréal.

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MÉCANIQUE

Après l'étude du tome A, le lecteur pourra analyser le mouvement des objets sous l'effet de la force gravitationnelle et de diverses forces de contact en utilisant les grands principes de la mécanique: les lois du mouvement de Newton, le principe de conservation de l'énergie et le principe de conservation de la quantité de mouvement.
CHAPITRE 1 Cinématique
CHAPITRE 2 Dynamique
CHAPITRE 3 Principes de conservation
CHAPITRE 4 Mécanique des corps

ÉLECTRICITÉ et MAGNÉTISME

Après l'étude du tome B, le lecteur pourra évaluer les champs électriques et magnétiques produits par diverses configurations de particules chargées, calculer l'effet de ces champs et expliquer comment les phénoménes électriques et magnétiques sont reliés.
CHAPITRE 1 Champ électrique CHAPITRE 2 Potentiel électrique

CHAPITRE 3 Circuits électriques CHAPITRE 4 Force magnétique CHAPITRE 5 Induction électromagnétique


ONDES et PHYSIQUE MODERNE

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Après l'étude du tome C, le lecteur pourra analyser des situations comportant des oscillations, des ondes
mécaniques (ondes sur des cordes tendues, son), des ondes lumineuses, des déviateurs de lumière (miroirs et lentilles),
des objets se déplaçant à une fraction appréciable de la vitesse de la lumière (relativité), des ondes-particules
(physique quantique) et des noyaux atomiques (physique nucléaire).

page 5 CHAPITRE 1
page 169 CHAPITRE 2
page 291 CHAPITRE 3
page 379 CHAPITRE 4
page 457 CHAPITRE 5


Oscillations et ondes mécaniques Optique géométrique Optique ondulatoire
Relativité

Physique quantique et nucléaire

Utiliser les principes de la mécanique afin d'analyser les oscillations et les ondes: ondes progressives, ondes stationnaires, battements, effet Doppler, puissance et intensité.
Utiliser les principes de la géométrie afin d'analyser la formation des images par les miroirs. les dioptres et les lentilles.
Analyser des phénoménes qui mettent en évidence le fait que la lumiére est une onde: l'interférence, la diffraction et la polarisation.
Évaluer les conséquences de la relativité restreinte: dilatation du temps, contraction des longueurs, relativité de la simultanéité, effet Doppler lumineux et mécanique rela iviste.
Décrire les bases de la physique quantique (dualité onde-particule, onde de probabilité, spectre du corps noir) et de la physique nucléaire (réactions nucléaires, radioactivité, datation radioactive).
TABLE DES MATIÈRES 1.10 La puissance d'une onde sinusoïdale progressive La puissance d'une onde sinusoïdale progressive 103
sur une corde 103
INTRODUCTION 1.11 La puissance d'une onde sonore sinusoïdale progressive La réflexion, la transmission et la superposition 105
des ondes 107
Chapitre 1 Les réflexions dures et molles Les coefficients de réflexion et de transmission 108 109
OSCILLATIONS ET ONDES MécANIQUES 5 Le principe de superposition linéaire Démonstration des équations permettant de calculer les coefficients de réflexion et de transmission 111 111
1.1 Les oscillations 7 1.12 Les ondes stationnaires 117
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 L'amplitude et la fréquence angulaire La relation entre la fréquence angulaire et la période La constante de phase La vitesse et l'accélération dans un mouvement harmonique simple La dynamique du mouvement harmonique simple La définition dynamique du MHS La fréquence angulaire naturelle Fréquence naturelle et résonance Le pendule composé La fréquence angulaire naturelle d'un pendule composé La démonstration de l'équation de la fréquence angulaire naturelle du pendule composé L'énergie et le mouvement harmonique simple L'énergie mécanique d'un système bloc-ressort Le fonctions trigonométriques inverses et le MHS L'oscillation verticale d'un système bloc-ressort 9 11 12 14 23 24 26 28 33 34 37 42 46 51 61 1.13 1.14 1.15 Les ondes stationnaires sur les cordes Les ondes stationnaires sonores Les instruments de musique Les ondes stationnaires et la superposition des ondes progressives La résonance et l'amplification des oscillations L'effet Doppler sonore L'effet du mouvement de l'èmetteur L'effet du mouvement du récepteur L'équation générale de l'effet Doppler sonore L'effet Doppler et les rèflexions L'effet Doppler et le vent Le mouvement supersonique Les battements L'amplitude de la superposition en fonction du temps L'effet Doppler, les ondes stationnaires et les battements L'intensité sonore L'échelle des décibels 118 122 124 125 127 133 135 137 139 140 143 143 149 151 153 157 158


DREAMSTIME

1.7 Les oscillations amorties et forcées 71
1.16 Synthèse du chapitre 163
Les oscillations amorties 72
L'amortissement surcritique 75
Les oscillations forcées 75
La résonance 76


1.8 Les ondes mécaniques progressives 79


OpnQUE GéOMéTRIQUE 169

Les ondes transversales et les ondes longitudinales 80
La longueur d'onde 81 2.1 L'optique géométrique 171
Tableau: Longueur d'onde 82 Les objets et les images 174
La vitesse d'une onde sur une corde 82 La perception des images par l'œil 175 La vitesse du son 85 La comparaison des tailles des images et des objets 176
1.9
Les ondes sinusoïdales progressives 89 2.2 La réflexion et les miroirs plans 181 Les graphiques y(t) 95 La loi de la réflexion 182 La vitesse et l'accélération d'une particule sur la corde 97 Les rétroréflecteurs 183 Les ondes sonores sinusoïdales progressives 99 Les images formées par les miroirs plans 185

2.3
Les miroirs sphériques 189 2.9 La correction de la vue 253 Le foyer d'un miroir sphérique 190 La vergence 254 Les rayons principaux du miroir sphérique 192 L'amplitude d'accommodation 254 Les équations du miroir sphérique 194 La presbytie 256 Les miroirs convexes et la convention de signes 195



La myopie 259

Une image à l'infini 197
L'hypermétropie 260

Le grandissement linéaire d'un miroir sphérique 197
2.10 La vergence des lentilles minces 265
Le miroir plan: un miroir sphérique de rayon Une lentille mince située entre deux milieux quelconques 266

de courbure infini 198
La loi d'addition des vergences 268

2.4 La réfraction La réflexion totale interne L'intensité réfléchie et l'intensité transmise par un dioptre La dispersion L'arc-en-ciel Le principe de Huygens et la démonstration de la loi
Chapitre 3

de la réfraction 212
2.5 Les dioptres sphériques 217 OPTIQUE ONDULATOIRE 291 La convention de signes pour les dioptres 220
3.1 La nature ondulatoire de la lumière 293
Les systèmes de dioptres 221
Le spectre électromagnétique 295
L'interférence dans un plan en deux dimensions 296
Interférence avec sources déphasées 300

3.2 L'expérience de Young 305
3.3 L'intensité de la figure d'interférence 311 L'intensité de la lumière dans l'expérience de Young 312 La figure d'interférence d'un système à N fentes 315
3.4 Les réseaux 319 Le chevauchement des spectres 321
3.5 La diffraction 323 La limite de résolution et le critère de Rayleigh 328
2.6 Les lentilles minces 227 Les rayons principaux de la lentille mince 229 Les équations de la lentille mince 230 Les lentilles divergentes et la convention de signes 231 Le grandissement linéaire d'une lentille mince 232 Une image à l'infini 234 Le grandissement angulaire d'une loupe 234 Erreurs conceptuelles fréquentes: Les images 236
2.7 La formule des opticiens 241
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2.8
Les systèmes de lentilles 247

3.6
L'Intensité de la figure de diffraction 333 4.9 La mécanique relativiste 438 L'interférence et la diffraction combinées 336 La quantité de mouvement en relativité 438 L'intensité de la figure combinée d'interférence et de La deuxième loi de Newton en relativité 440






diffraction 337 L'énergie cinétique en relativité 441 L.'énergie au repos et l'équivalence masse-énergie 442
3.7 Les vecteurs de Fresnel 341
3.8 3.9 L'interférence dans les pellicules minces Les pellicules minces d'épaisseur variable L'interféromètre de Michelson L'expérience de Michelson et Morley 351 359 363 366 4.10 De la quantité de mouvement relativiste à l'énergie cinétique Le mur de la vitesse de la lumière L'énergie cinétique d'un objet se déplaçant à c L'impossibilité de voyager plus vite que c 443 447 447 448
3.10 La polarisation Les lunettes polarisées 368 371 4,11 Synthèse du chapitre 451
3.11 Synthèse du chapitre 373



PHYSIQUE QUANTIQUE ET NUCLÉAIRE 457

5,1 Les photons et l'effet photoélectrique 4594.1 L'Invariance de la vitesse de la lumière 381
L'effet photoélectrique 461L'origine de la théorie de la relativité restreinte 381

5.2 L'effet Compton 466
Le problème de l'observation en relativité 384
4.2 La dilatation du temps 387 5.3 Le spectre du corps noir 471 L'intervalle de temps propre 391
La loi de Wien 474

Une introduction au paradoxe des jumeaux 396 La loi de Stefan-Boltzmann 474 La vérification expérimentale de la dilatation du temps 396 5.4 L'onde de probabilité et le principe d'incertitude 479 Le principe d'incertitude de Heisenberg 482
4.3 La contraction des longueurs 399
L'étrange monde des quantas 484

4.4 La relativité de la simultanéité 405 5.5 Le spectre de l'hydrogène et le modèle de Bohr 487
La symétrie des effets relativistes 409
L'impossibilité de la contraction des longueurs 5.6 L'énergie nucléaire 495 perpendiculaires 410 La force nucléaire 497 Un retour sur l'invariance de la vitesse de la lumiére 410 Le défaut de masse 499 L'énergie de liaison 499
4.5 Les transformations de Lorentz 413 Le défaut de masse relatif 500
Les transformations de Lorentz
et les trois effets relativistes 418

La radioactivité 501 Les réactions nucléaires 504

4.6 La combinaison relativiste des vitesses 422
Des transformations de Lorentz à la combinaison
relativiste des vitesses 425

4.7 L'effet Doppler lumineux 428
4.8 Les retards de vision et la relativité 433 Les retards de vision et la contraction des longueurs 433 Les retards de vision et la dilatation du temps 434 Les retards de vision et le paradoxe des jumeaux 435
5.7 La datation radioactive 509 Le temps de demi-vie 512 L'horloge radioactive 513 La datation au carbone 14 514
5.8 Synthèse du chapitre 517


M5

ANNEXE CÉNÉRALE 523
M5.1 Gi L'alphabet grec 523 M5.2 M5.3
G2 Le système International d'unités 523 M5.4
G2.1 Les préfixes du système intemational 523 M5.5
G2.2 Les unités fondamentales du système international 523 M5.6
G2.3 Les unités dérivées du système international 523 M5.7
G2.4 Les unités du SI utilisées dans cet ouvrage 524
M6

G3 Les constantes universelles 524 M6.1
G4 Données d'usage fréquent 525
M6.2 G5 Les propriétés des matériaux 525 M6.3
M7 M7.1 M7.2 M7.3 M7.4 M7.5 M7.6 M7.7 M7.8 M7.9 M7.10 M7.11


Ma M9
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G6 Les principaux isotopes des éléments
G7 Les chiffres significatifs
ANNEXE MATHÉMATIQUE

Relations mathématiques d'usage fréquent Mi Les opérations de base M1.1 L'addition, la soustraction, la multiplication et la division M1.2 Les systèmes d'équations M1.3 Le zéro et l'infini M2 Les exposants et la notation scientifique M2.1 Les exposants M2.2 Exposants nuls et négatifs M2.3 La notation scientifique M2.4 Exposants non entiers et racine carrée M2.5 La multiplication des binômes M2.6 Les solutions de l'équation quadratique M3 Les logarithmes M3.1 Le logarithme en base 10 M3.2 Le logarithme naturel M3.3 Les identités logarithmiques M4 La géométrie de base M4.1 Les angles M4.2 Les triangles et les quadrilatères M4.3 Le cercle et la sphère MU L'équation d'une droite
MiO

526 M10.1
528
M10.2 M11 529
529
530
530 530 531
531 531 532 532 532 532 532
533
Les fonctions trigonométriques La définition du sinus et du cosinus Valeurs particulières du sinus et du cosinus Les signes du sinus et du cosinus Les autres fonctions trigonométriques Les fonctions trigonométriques inverses Les identités trigonométriques Les lois des sinus et des cosinus
Les approximations utiles L'approximation du binôme Les approximations du petit angle L'approximation du triangle isocèle mince
Les vecteurs Les vecteurs et les scalaires L'addition graphique des vecteurs Les composantes d'un vecteur La multiplication d'un vecteur par un scalaire Les vecteurs unitaires T, jet k La forme polaire et la forme cartésienne De la forme polaire à la forme cartésienne De la forme cartésienne à la forme polaire Le module d'un vecteur en trois dimensions L'addition et la soustraction des vecteurs L'écriture des vecteurs
Le produit scalaire Le produit vectoriel La dérivée
La définition de la dérivée Les règles de dérivation L'intégrale


536
536 537 537 538 539 540 542
542
542 543 543
543 543 544 544 544 544 545 545 546 546 546 547
547 547
S48 548 549
550
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533 534 534 RÉPONSES DES EXERCICES INDEX 553 568
534 534
535 536
536