La physique par les objets quotidiens

164 Pages·2007·103.253 MB·French

by  Cedric Ray, Jean-Claude Poizat

BIBLIOTHEQUE SCIENTIFIQUE
La physique par
es objels quotidiens
Cédric Ray
Jean-Claude Poizat
8, rue Férou - 75278 Paris cedex 06
www.editions-belin.com - www.pourlascience.com
••0 h M M•m I
Les ampoules
Le réfrigérateur
à incandescence
. 6 42
La lumière 6 Les changements d'état 43
Chauffer... et que la lumière soit ! 8 Le transfert de chaleur 44
Lampoule à incandescence 9 Le réfrigérateur à compresseur 44
Lampoule halogène 10 Les autres types de réfrigérateurs 42
-*• Foire aux questions 13 -> Foire aux questions 49
Les ampoules à décharge
Les détecteurs de fumée
et les tubes fluorescents
.14 .51
Structure des atomes 14
De la nature du feu 51
Les ampoules à décharge 16
Le détecteur de fumée optique 54
Les tubes fluorescents 18
Le détecteur de fumée ionique 56
Les ampoules à économie d'énergie 20
- Foire aux questions 59
-*• Foire aux questions 21
a
La montre à quartz Le four à micro-ondes
23 61
Le quartz 23 Les micro-ondes 61
Leffet piézoélectrique 24 Ou'est-ce que la température ? 62
La mesure du temps 26 La molécule d'eau 63
Un coucou en quartz 26 Comment chauffer avec les micro-ondes 64
Que contient une montre à quartz ? 28 Dans le ventre du four à micro-ondes 65
- Foire aux questions 31 -* Foire aux questions 62
o—
La télévision Les plaques électriques
.33 69
Le cerveau fait son cinéma 34 Ou'est-ce que le courant électrique ? 69
Charge et champs 35 Se chauffer par effet Joule 20
Comment créer l'image ? 36 La transmission de la chaleur 21
La télévision en couleurs 32 Les plaques en fonte 21
Oue contient un téléviseur couleur ? 38 Les plaques vitrocéramiques 22
La transmission des programmes 39 Les plaques à induction 24
- Foire aux questions 40 -*• Foire aux questions 26
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sation collective jarticle L. 122-5] ; il autorise également les courtes citations effectuées dans un but d'exemple ou d'illustration. En revanche toute repré
sentation ou reproduction intégrale ou partielle, sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite [article L. 122-4].
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© Éditions Belin 2007ISSN 0224-5159ISBN 978-2-7011-4552-5
Le système GPS
de positionnement
Le disque compact
par satellites
?8 119
Le inonde numérique ?8 Comment se repérer sur le globe ? 120
Le disque compact préenregistré ?9 Déterminer sa position 121
Un peu d'optique 81 Les différents éléments du système GPS 124
Lire un CD avec un rayon lumineux 82
Les différents types de GPS 126
Que contient un lecteur de CD-ROM ? 83
-? Foire aux questions 128
Les autres types de disque compact 84 o—
Les supports récents 86
— Fo^re aux questions
o—
Léchographie médicale
Les écrans 130
à cristaux liquides Les ultrasons 131
Comment obtenir une image avec des ultrasons ? 131
90
De quoi est constitué un appareil d'échographie ? 134
Un étrange état de la matière 91
Léchographie en évolution 136
Où l'on fait toute la lumière sur les cristaux liquides 92
-* Foire aux questions 138
Écran et pixels 95 o
-? Foire aux questions 98
o
Le scanner à rayons x
s— "-s 'V-'Le disque dur 139
Les rayons X 140
100
La radiographie 142
Les aimants 101 Comment passer à trois dimensions ? 143
Écrire et lire des données avec un aimant 102 Les éléments d'un scanner à rayons X 145
Les éléments du disque dur 103 -+ Foire aux questions 14?
-? Foire aux questions 106
o
Le réacteur nucléaire
photocopieur
149
108
Au coeur des noyaux 149
Les charges électriques 109 Léquivalence masse-énergie 151
Conducteurs, isolants et semi-conducteurs 110 Fission et réaction en chaîne 151
L'image électrostatique 111 Principe d'un réacteur nucléaire 153
Les étapes d'une photocopie 113 Les éléments d'un réacteur à eau pressurisée 153
- Foire aux questions 11? - Foire aux questions 15?
o
ui i né s
Deux théories de la lumière ?Réflexion et réfraction81
La couleur des corps incandescents 8La polarisation de la lumière93
Le modèle atomique 15Les aimants et les domaines magnétiques101
Fluorescence et conservation de l'énergie 18La conduction dans les solides110
La structure cristalline 24L'effet corona (ou effet couronne)111
Les forces magnétiques 35La vitesse des ondes électromagnétiques122
Les états de la matière 43La gravitation124
La radioactivité a 56Les ondes sonores132
Les ondes électromagnétiques 62Linteraction des rayons X avec la matière141
L'induction électromagnétique 23La fission nucléaire152
Dans la même collection aux Éditions Belin-Pour la Science
•Yaël NAZÉ, L'astronomie des anciens, 2009. •Marcel BOURNÉRIAS & Christian BOCK, Le génie des
•Nicolas GAUVRIT, Vous avez dit hasard?, 2009. végétaux, 2006.
•Sébastien Steyer et Alain BÉNÉTEAU, La Terre avant •François FoRGET, François COSTARD & Philippe
les dinosaures, 2009. LOGNONNÉ, La planète Mars - Histoire d'un autre monde,
•Nollert Hans-Peter et Ruder HANNS, Carnets de 2e édition, 2006.
voyages relativistes, 2008. •Alain NICOLAS, Parcelles d'infini — Promenades au jardin
•Audouin DOLFUS, Les autres mondes, 2008. d'Escher, 2005.
•Patrick CORDIER et Hugues LEROUX, Ce que disent les •Bernard VALEUR, Lumière et luminescence, 2005.
minéraux, 2008. •Etienne GUYON, Jean-Pierre HULIN & Luc PETIT, Ce que
•Bernard VALEUR, Sons et lumière, 2008. disent les fluides - La science des écoulements en images, 2005.
•Yves CORBOZ, Météorologie, 2008. •Pierre CHAUVE, Des grottes et des sources, 2005.
•Rémi CADET, L'invention de la physiologie, 2008. •Yaël NAZÉ, Les couleurs de l'Univers, 2005.
•Alain DORESSOUNDIRAM et Emmanuel LELLOUCH, •Thérèse ENCRENAZ et Fabienne CASOLI, Planètes
Aux confins du système solaire, 2008.
extrasolaires, 2005.
•Alessandra BENUZZI-MOUNAIX, La fusion nucléaire,
•François MICHEL, Roches et paysages, 2005.
2008.
•Michel BLAY, Les figures de l'arc-en-ciel, 2005.
•Gilbert PlETRYK (sous la direction de), Panorama de la
•Pierre CAUSERET, Jean-Luc FOUQUET & Liliane
physique, 2007.
SARRAZIN-VlLAS, Le ciel à portée de main, 2005.
•Bernard FRANCOU et Christian Vincent, Les glaciers à
•John KlNG, Le monde fabuleux des plantes, 2004.
l'épreuve du climat, 2007.
•Jean-Paul DELAHAYE, Les inattendus mathématiques,
•R. Delmas, S. Chauzy, J.-M. Verstraete et
2004.
H. Ferré, Atmosphère, océan et climat, 2007.
•Anny CAZENAVE & Didier MASSONNET, La Terre vue
•Hervé THIS, De la science aux fourneaux, 2007.
de l'espace. 2004
•Adolphe NICOLAS, Futur empoisonné- Quels défis ? Quels
remèdes?, 2007. •Jean LEFORT, L'aventure cartographique, 2004.
•Jean-Michel COURTY & Edouard KlERLIK, Le monde a •Thérèse ENCRENAZ, À la recherche de l'eau dans l'Univers,
ses raisons, 2006. 2004.
•Jean-Paul Delahaye, Complexités, 2006. •Adolphe NICOLAS, 2050 Rendez-vous à risques, 2004.
•Denis SAVOIE, Cosmographie — Comprendre les mouvements •Armand Le NoxaIc, Les métamorphoses du vide, 2004.
du Soleil, de la Lune et des planètes, 2006. •Roland TROMPETTE, La Terre - Une planète singulière,
•Louis BOYER, Feu et flammes, 2006. 2003.
Consultez ces ouvrages et nos autres titres sur nos sites Internet:
www.editions-belin.com www.pourlascience.com
• A ¥Min——•——il• 11 m 0 -S
D^ un côté il y a l'objet, concret, tangible, familier : même si on ne le remarque
plus à force de l'utiliser jour après jour, il repose pourtant sur des principes
la plupart du temps inconnus. De l'autre, il y a la physique, conceptuelle,
formelle, inquiétante pour beaucoup : elle fourmille d'outils mathématiques et d'équa
tions, mais n'offre que rarement des exemples concrets.
Comment relier le monde matériel aux idées abstraites pour que chacun, néophyte ou
initié, puisse enfin s'approprier son environnement immédiat et entrevoir l'univers de la
physique ? C'est l'objet de ce livre détaillant le fonctionnement des objets quotidiens,
dans lequel nous proposons une présentation simple et accessible des principes à l'œuvre
tout en conservant une approche rigoureuse.
Pour mener à bien ce pari de funambule, nous avons eu recours à plusieurs balanciers :
-des encadrés faisant le point sur une notion physique importante ;
-des analogies, nécessairement imparfaites, pour permettre au lecteur d'assimiler des
notions ardues grâce à des exemples parfois insolites ;
-une foire aux questions pour répondre aux questions pratiques qui pourraient se
poser. C'est aussi l'occasion de digressions sur des objets similaires.
Les chapitres se répondent souvent, les objets ne reposant pas sur une unique notion
physique. Tout au long de ce voyage, nous explorons ainsi la lumière puis la matière,
dans tous ses états ou presque comme dans sa nature la plus intime, de l'atome au noyau.
Nous évoquons aussi l'électricité, le magnétisme, la gravitation et bien d'autres
domaines clés de la discipline.
Au-delà du plaisir de comprendre le fonctionnement de la quinzaine d'objets traités, le
lecteur y trouvera l'occasion de se forger une culture physique , à la façon d'une culture
musicale. Nous espérons qu'il acquerra ainsi les bases nécessaires pour prolonger cette
réflexion et mener l'enquête sur le monde qui nous entoure.
Les Auteurs.
Remerciements
Nous souhaitons remercier les collègues qui nous ont encouragés tout au long de l'écri
ture du livre, en particulier Noël Burais, Jean-Marc Galvan et Gérard Panzer pour les
photos qu'ils nous ont procurées.
Ce livre doit aussi beaucoup aux cours dispensés à l'université Claude Bernard sur la
même thématique, et donc aux étudiants qui forcent leurs enseignants à réfléchir
constamment sur la meilleure façon de faire passer le message scientifique. Qu'ils soient
donc remerciés (pour une fois !) pour leur curiosité.
L'élaboration d'un livre comporte de nombreuses étapes: les auteurs remercient les
Editions Belin pour la confiance qu'ils leur ont accordée et pour le travail fourni par
leurs collaborateurs.
Enfin, écrire un tel ouvrage ne serait pas possible sans les encouragements et le soutien
inconditionnel de la famille et des amis, délaissés pendant de longues heures de travail
acharné. Qu'ils en soient ici remerciés.
Les ampoules a incandescence
La peur des ténèbres a poussé l'Homme à imaginer des systèmes d'éclairage toujours
plus performants, d'abord en domestiquant le feu avec les torches, les lampes à huile,
et toutes sortes de bougies. L'avènement de l'électricité a révolutionné l'éclairage
artificiel grâce à l'ampoule à incandescence, multipliant les lumières nocturnes. La pollu
tion lumineuse du ciel (figure 1) est d'ailleurs devenue si importante dans les pays indus
trialisés que les astronomes européens ont créé une association pour défendre... la nuit!
La lumière
Quelle est donc la nature de la lumière émise par les ampoules ? Dans ce chapitre, c'est
sa nature ondulatoire que nous privilégierons, c'est-à-dire que nous considérerons la
lumière comme une onde, plus précisément une onde électromagnétique (voir l'encadré).
Comme expliqué au chapitre sur le four à micro-ondes (p. 62), on peut caractériser une
onde par sa fréquence ou par sa longueur d'onde. On appelle lumière l'étroit domaine de
fréquence qui correspond aux couleurs de l'arc-en-ciel, entre le rouge sombre et le violet.
Les rayonnements électromagnétiques qui sont extérieurs à cet ensemble de couleurs
(que les physiciens appellent le spectre visible) portent des noms différents, même s'ils
sont de même nature. Au-delà du rouge se trouve ainsi la zone des infrarouges, tandis
© Lumières terrestres de nuit, vues d'un satellite (montage). Les zones les plus éclairées correspondent pour l'essentiel aux
pays industrialisés et aux régions les plus densément peuplées.
6 îè"^ La physique par les objets quotidiens
UX THEORIES DE LA LUMIERE
-ce que la lumière? Cette question a magnétique associée. La constante de proportion
passionné les physiciens pendant des siècles et ils nalité est une des constantes fondamentales de la
continuent encore aujourd'hui d'explorer ses physique: la constante de Planck.
incroyables propriétés. La réponse actuelle a de
Ondes.
quoi dérouter, puisque la lumière est à la fois un
ensemble de grains d'énergie appelés photons et
une onde électromagnétique: c'est ce que l'on
appelle la dualité onde-corpuscule. Selon les
phénomènes étudiés, on exploite une description
ou une autre (figure 2).
Il est possible de relier ces deux aspects (onde et
ensemble de corpuscules en mouvement (les
corpuscule) puisque l'énergie d'un photon est photons), ou comme une onde électromagnétique
proportionnelle à la fréquence de l'onde électro qui se propage.
qu'au-delà du violet apparaissent la zone de l'ultraviolet, puis celle des rayons X et
enfin des rayons y (p. 62). Remarquons que si l'œil humain était sensible au rayonne
ment ultraviolet comme celui de certains insectes, notre définition de la lumière serait
différente.
Depuis les travaux du physicien anglais Isaac Newton (1642-1727), on sait que la
lumière émise par le Soleil, que l'on appelle lumière blanche, contient l'ensemble des
couleurs visibles, comme le montre la décomposition de la lumière du soleil par un
prisme (figure 3). Notons que, dans un arc-en-ciel, la décomposition de la lumière est
assurée par les gouttes de pluie qui jouent le rôle du prisme. La lumière du soleil contient
aussi d'autres rayonnements électromagnétiques en dehors du spectre visible, comme des
rayonnements ultraviolets (qui nous permettent de bronzer) ou infrarouges (qui compo
sent en fait la majeure partie du rayonnement émis). Voyons à présent comment créer
une lumière semblable à la lumière blanche en chauffant un matériau.
de l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel, comme un prisme en verre.
le montre cette expérience de décomposition de la
1. Les ampoules à incandescence
Chauffer...
et que la lumière soit !
Tout d'abord, réfléchissons à ce qui se passe
OOO lorsque l'on chauffe un corps. Tout matériau
solide, un barreau de tungstène par exemple, est
constitué d'un ensemble d'atomes reliés entre
eux (voir le chapitre sur la montre à quartz p. 23),
qui vibrent autour d'une position moyenne.
Lorsque l'on chauffe le barreau, les atomes
vibrent davantage. Remarquons que si on
chauffe encore, le barreau atteint une tempéra
Q À haute température, ce morceau de ture dite de fusion, à laquelle les liaisons entre les
tungstène devient incandescent, c'est-à-dire atomes se cassent. Le barreau va fondre : c'est le
qu'il émet de la lumière.
phénomène de fusion (cf. p. 43), décrit ici d'un
point de vue microscopique. Nous nous limiterons à ce qui se passe quand le barreau est
chauffé au-dessous de la température de fusion.
Pour un barreau dans l'air, les vibrations des atomes de surface du matériau se transmet
tent aux molécules de dioxygène et de diazote qui composent l'essentiel de l'air. Ces molé
cules sont accélérées par les chocs qu'elles subissent à la surface du barreau, et de proche
en proche, communiquent de la vitesse à l'ensemble des molécules du gaz. C'est par ce
mécanisme que de la chaleur est transmise par conduction à l'air autour du barreau.
Mais un autre phénomène permet aux atomes du barreau d'évacuer l'énergie qu'ils ont
acquise par chauffage. Lorsqu'ils vibrent, les atomes de tungstène émettent en effet des
ondes électromagnétiques, et en particulier de la lumière : le barreau est alors incandes
cent (figure 4). Cette émission lumineuse est composée de plusieurs longueurs d'onde,
c'est-à-dire de plusieurs couleurs. La répartition des longueurs d'onde des rayonnements
émis dépend de la température : c'est cette répartition qui détermine in fine la couleur du
barreau. En fait, le rayonnement d'un matériau chaud contient une grande partie de
radiations invisibles pour l'œil humain. C'est aux infrarouges émis aux températures
moyennes que l'on doit cette sensation de chaleur à proximité des objets chauds. Ce
phénomène est appelé la transmission de la chaleur par rayonnement.
COULEUR DES CORPS INCANDESCENTS
ans la vie courante, le phénomène d'incandescence chauffer à blanc dans le langage courant), voire
nous est familier: on sait que lorsque l'on chauffe un bleu à très haute température. Les ouvriers métallur
morceau de métal, il se met tout d'abord à rougir, puis gistes jaugeaient ainsi la température des coulées à
tend vers l'orange, le jaune et enfin devient complète leur couleur.
ment blanc si l'on chauffe encore (on dit d'ailleurs Plus étonnant encore, les physiciens ont montré que la
répartition des couleurs avec la température était la
même, qu'on considère de la lave liquide, du verre
porté au feu ou une coulée d'acier. Ainsi, à faible
température, la matière n'émet que de l'infrarouge
Q Échelle des variations de couleur d'un morceau de invisible à l'œil. Puis la proportion de rouge augmente
métal porté à une température croissante de gauche à avec la température, et le matériau parait rouge
droite. À haute température, le mélange des diffé sombre, puis jaune, etc. (figure 5). Vers 5000 C, il
rentes couleurs conduit à une teinte blanche. paraît blanc
8 ti^^ La physique par les objets quotidiens