Optionscience. Physique : 3e année du 2e cycle du secondaire

379 Pages·2010·30.603 MB·French

by  Marielle Champagne

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Physique
Manuel de l’élève
3e année du 2e cycle du secondaire
Marielle Champagne
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Directrice de l’édition Rédacteurs
Monique Boucher Mélanie Bélanger (rubrique Matière à réflexion),
polyvalente de Disraeli, commission scolaire
Chargés de projet des Appalaches
Marie Sylvie Legault Jacinthe Buisson (exercices), polyvalente Nicolas-
Virginie Krysztofiak (La physique et le sport) Gatineau, commission scolaire des Draveurs
Paul Ste-Marie (La physique et le sport) Luc Chamberland (laboratoires), technicien
en travaux pratiques (à la retraite)
Réviseure linguistique
Michel Charette (exercices), école secondaire
Valérie Lanctôt (La physique et le sport)
Hormidas-Gamelin, commission scolaire
au Cœur-des-Vallées (à la retraite)
Correcteur d’épreuves
Dominique Forget (rubrique Articles tirés
Pierre-Yves L’Heureux
d’Internet), rédactrice scientifique
Mathieu Genest (exercices), cégep Limoilou
Recherchiste (photos et droits)
Jean-Paul Gueugnot (exercices), collège
Marie-Chantal Masson
St-Joseph, Hull (à la retraite)
Coordonnateur – droits et reproductions Denis Poulin (Métho), étudiant au doctorat en
Pierre Richard Bernier mathématique à l’université Carleton, Ottawa
Mélanie Ratelle (exercices), séminaire
Directrice artistique Sainte-Marie, Shawinigan
Hélène Cousineau Philippe St-Jean (exercices, rubrique Matière
à réflexion et La physique et le sport), étudiant
Coordonnatrice aux réalisations graphiques à la maîtrise en physique à Polytechnique,
Sylvie Piotte Montréal
MaximeVerreault(exercices),cégepdeSainte-Foy
Couverture
BinhAnVuVan(exercices),rédactricescientifique
Frédérique Bouvier
Les Studios Artifisme Consultants pédagogiques
Stéphan Auger, école secondaire des Patriotes-
Conception graphique et édition électronique
de-Beauharnois, commission scolaire de
Valérie Deltour
la Vallée-des-Tisserands
Mélanie Bélanger, polyvalente de Disraeli,
Illustrateurs
commission scolaire des Appalaches
François Couture
Daniel Breton, Juvénat Notre-Dame du
Stéphane Jorisch
Saint-Laurent, Québec
Bertrand Lachance
Jacinthe Buisson, polyvalente Nicolas-Gatineau,
Polygone
commission scolaire des Draveurs
Michel Rouleau
Pascale Fortin, polyvalente Bélanger, commission
Jean-François Vachon
scolaire de la Beauce-Etchemin
Jean-François Marion, école secondaire Frenette,
©ÉDITIONSDURENOUVEAUPÉDAGOGIQUEINC.,2010 commission scolaire de la Rivière-du-Nord
Carl Mathieu, école secondaire de la Seigneurie,
Tousdroitsréservés.
commission scolaire des Premières-Seigneuries
Onnepeutreproduireaucunextraitdecelivresousquelque
Martin Péloquin, école secondaire Fernand-
forme ou par quelque procédé que ce soit – sur machine
électronique,mécanique,àphotocopierouàenregistrer,ou Lefebvre, commission scolaire Sorel-Tracy
autrement–sansavoirobtenu,aupréalable,lapermission Joanie Vachon, école secondaire Marcellin-
écritedesÉDITIONSDURENOUVEAUPÉDAGOGIQUEINC.
Champagnat, Saint-Jean-sur-Richelieu
Dépôtlégal –BibliothèqueetArchivesnationalesduQuébec,2010 Réviseur scientifique
Dépôtlégal –BibliothèqueetArchivesCanada,2010 Richard Gagnon, physicien
ImpriméauCanada 1234567890II1413121110
ISBN978-2-7613-3243-9 12084 ABCD 0S12
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TABLE DES MATIÈRES
TABLE DES MATIÈRES
L’OPTIQUE
.............................................................................................................................................................................................. 1
11
CHAPITRE
LESONDES
ETLALUMIÈRE............................................................................................................................................................................ 3
1.1 Lesondes.................................................................................................................................................................................................................................. 4
LABO
1. LESPECTREÉLECTROMAGNÉTIQUEDUSOLEIL
Lescaractéristiquesdesondes............................................................................................................................................................................ 5
Lescatégoriesd’ondes................................................................................................................................................................................................. 8
1.2 Lalumière................................................................................................................................................................................................................................ 11
Deuxreprésentationsgraphiquesdelalumière............................................................................................................................... 14
Lepassagedelalumièred’unmilieuàunautre................................................................................................................................ 15
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 17
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 18
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 19
22
CHAPITRE
LARÉFLEXION............................................................................................................................................................................. 23
2.1 Laréflexiondelalumière................................................................................................................................................................................... 24
Laloidelaréflexion......................................................................................................................................................................................................... 25
Laréflexionspéculaireetlaréflexiondiffuse........................................................................................................................................ 26
Laformationdesimages............................................................................................................................................................................................. 27
2.2 Laréflexiondelalumièredanslesmiroirsplans............................................................................................................... 29
LABOS
2.LESRAYONSLUMINEUXDANSUNMIROIRPLAN
3.LESIMAGESDANSUNMIROIRPLAN
4.LECHAMPDEVISIONDANSUNMIROIRPLAN
Lesrayonslumineuxdanslesmiroirsplans............................................................................................................................................ 29
Lesimagesdanslesmiroirsplans..................................................................................................................................................................... 29
III
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2.3 Laréflexiondelalumièredanslesmiroirssphériques.............................................................................................. 31
LABOS
5.LESRAYONSLUMINEUXDANSUNMIROIRCONCAVE
6.LESRAYONSLUMINEUXDANSUNMIROIRCONVEXE
7. LESIMAGESDANSUNMIROIRCONCAVE
8.LESRELATIONSMATHÉMATIQUESENLIENAVECLESMIROIRSCONCAVES
Lesrayonslumineuxdanslesmiroirssphériques............................................................................................................................. 33
Lesimagesdanslesmiroirssphériques:unereprésentationgraphique................................................................ 34
Lesimagesdanslesmiroirssphériques:unereprésentationmathématique.................................................... 37
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 41
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 43
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 44
33
CHAPITRE
LARÉFRACTION....................................................................................................................................................................... 49
3.1 Laréfractiondelalumière............................................................................................................................................................................... 50
LABOS
9.LESRAYONSLUMINEUXDANSUNCHANGEMENTDEMILIEU
10.LALOIDELARÉFRACTIONDESNELL-DESCARTES
L’indicederéfraction....................................................................................................................................................................................................... 51
Laloidelaréfraction....................................................................................................................................................................................................... 54
3.2 Laréfractiondelalumièredansleslentillesminces..................................................................................................... 57
LABOS
11. LESRAYONSLUMINEUXDANSLESLENTILLESMINCES
12.LESIMAGESFORMÉESDANSLESLENTILLESMINCES
13.LESRELATIONSMATHÉMATIQUESENLIENAVECLESLENTILLESMINCES
Lesrayonslumineuxdansleslentillesminces...................................................................................................................................... 59
Lesimagesdansleslentillesminces:unereprésentationgraphique......................................................................... 60
Lesimagesdansleslentillesminces:unereprésentationmathématique.............................................................. 64
3.3 Laréflexiontotaleinterne................................................................................................................................................................................. 67
LABO
14.LARÉFLEXIONTOTALEINTERNE
Lesfibresoptiques............................................................................................................................................................................................................. 70
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 71
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 73
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 74
IV
TABLEDESMATIÈRES
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44
CHAPITRE
L’ŒILETLESINSTRUMENTS
OPTIQUES........................................................................................................................................................................................... 79
4.1 L’œilhumain......................................................................................................................................................................................................................... 80
LABO
15.L’ŒILHUMAINETLESPROBLÈMESDELAVUE
Lefonctionnementdel’œil....................................................................................................................................................................................... 80
Lacorrectiondesproblèmesdelavueparleslentilles............................................................................................................. 81
4.2 Quelquesinstrumentsoptiques................................................................................................................................................................. 83
L’appareilphoto.................................................................................................................................................................................................................... 83
Leprojecteur........................................................................................................................................................................................................................... 84
Lemicroscopeoptique................................................................................................................................................................................................. 84
Letélescope............................................................................................................................................................................................................................. 85
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 87
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 88
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 89
Passionnésdescience........................................................................................................................................................................................................... 92
LA MÉCANIQUE
........................................................................................................................................................... 95
PARTIE I
LACINÉMATIQUE......................................................................................................................................................... 97
11
CHAPITRE
LESVARIABLES
DUMOUVEMENT................................................................................................................................................................... 99
1.1 Lesvariablesliéesàl’espaceetautemps................................................................................................................................... 100
Laposition.................................................................................................................................................................................................................................. 100
Ladistanceparcourue................................................................................................................................................................................................... 103
Ledéplacement.................................................................................................................................................................................................................... 103
Letempsetletempsécoulé................................................................................................................................................................................... 104
1.2 Lavitesse.................................................................................................................................................................................................................................. 107
Lavitessemoyenne......................................................................................................................................................................................................... 107
Lavitesseinstantanée.................................................................................................................................................................................................... 108
Lechangementdevitesse......................................................................................................................................................................................... 110
V
TABLEDESMATIÈRES
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1.3 L’accélération...................................................................................................................................................................................................................... 111
L’accélérationmoyenneetl’accélérationinstantanée................................................................................................................. 112
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 113
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 115
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 116
22
CHAPITRE
LEMOUVEMENT
ENUNEDIMENSION........................................................................................................................................................ 121
2.1 Lemouvementrectiligneuniforme....................................................................................................................................................... 122
LABO
1. L’ANALYSEDUMOUVEMENTRECTILIGNEUNIFORME
Lesreprésentationsgraphiquesdumouvementrectiligneuniforme......................................................................... 123
Lareprésentationmathématiquedumouvementrectiligneuniforme...................................................................... 125
2.2 Lemouvementrectiligneuniformémentaccéléré............................................................................................................ 127
LABO
2.L’ANALYSEDUMOUVEMENTRECTILIGNEUNIFORMÉMENTACCÉLÉRÉ
Lesreprésentationsgraphiquesdumouvementrectiligneuniformémentaccéléré................................ 127
Lesreprésentationsmathématiquesdumouvementrectiligneuniformémentaccéléré...................... 133
Lemouvementenchutelibre................................................................................................................................................................................ 136
LABO
3.L’ANALYSEDUMOUVEMENTENCHUTELIBRE(SANSFRICTION)
Lemouvementsurunplanincliné.................................................................................................................................................................... 140
LABO
4.L’ANALYSEDUMOUVEMENTSURUNPLANINCLINÉ
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 143
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 145
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 146
33
CHAPITRE
LEMOUVEMENT
ENDEUXDIMENSIONS............................................................................................................................................... 153
3.1 Lesvecteurs......................................................................................................................................................................................................................... 154
Lescaractéristiquesdesvecteurs..................................................................................................................................................................... 154
VI
TABLEDESMATIÈRES
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L’additionetlasoustractiondedeuxvecteurs..................................................................................................................................... 155
Lamultiplicationetladivisiond’unvecteurparunscalaire................................................................................................... 164
Lesvecteursdumouvement................................................................................................................................................................................... 164
3.2 Lemouvementdesprojectiles...................................................................................................................................................................... 167
LABO
5.L’ÉTUDEDUMOUVEMENTDESPROJECTILES
Unereprésentationgraphiquedumouvementdesprojectiles......................................................................................... 167
Unereprésentationmathématiquedumouvementdesprojectiles............................................................................. 169
3.3 Larelativitédumouvement........................................................................................................................................................................... 171
LABO
6.L’ÉTUDEDELARELATIVITÉDUMOUVEMENT
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 173
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 175
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 176
Passionnésdescience........................................................................................................................................................................................................... 183
PARTIE II
LADYNAMIQUE............................................................................................................................................................... 185
44
CHAPITRE
LAPREMIÈRELOI
DENEWTON.................................................................................................................................................................................... 187
4.1 Leconceptdeforce..................................................................................................................................................................................................... 188
4.2 Laloidel’inertie............................................................................................................................................................................................................. 190
LABO
7. L’ÉTUDEDESEFFETSD’UNEFORCEAPPLIQUÉESURUNCORPS
Leconceptd’inertie......................................................................................................................................................................................................... 190
L’apportdeNewton......................................................................................................................................................................................................... 192
4.3 Laforcerésultanteetl’étatd’équilibre.......................................................................................................................................... 195
LABO
8.LACOMBINAISONDEDEUXOUPLUSIEURSFORCES
Laforcerésultante............................................................................................................................................................................................................. 195
L’étatd’équilibre.................................................................................................................................................................................................................. 195
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 197
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 198
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 199
VII
TABLEDESMATIÈRES
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55
CHAPITRE
LADEUXIÈMELOI
DENEWTON.................................................................................................................................................................................... 203
5.1 Larelationentrelaforce,lamasseetl’accélération.................................................................................................... 204
LABO
9.L’ÉTUDEDEL’ACCÉLÉRATIOND’UNCORPSENRELATIONAVECLAFORCEETLAMASSE
5.2 Lesdiagrammesdecorpslibre................................................................................................................................................................... 206
5.3 Laforcegravitationnelle..................................................................................................................................................................................... 209
LABO
10.L’ÉTUDEDESEFFETSDELAGRAVITATION
Unegénéralisationdelaforcegravitationnelle.................................................................................................................................. 211
Ladistinctionentrelamasseetlepoids..................................................................................................................................................... 212
5.4 Laforcenormale............................................................................................................................................................................................................. 213
Lecasd’unesurfacehorizontalestable...................................................................................................................................................... 213
Lecasd’unesurfacehorizontaleenmouvementvertical....................................................................................................... 213
Lecasd’unplanincliné................................................................................................................................................................................................. 214
5.5 Lesforcesdefrottement...................................................................................................................................................................................... 217
LABO
11. LECOEFFICIENTDEFROTTEMENT(FORCEDEFROTTEMENT)
Lafrictionstatique.............................................................................................................................................................................................................. 218
Lafrictioncinétique.......................................................................................................................................................................................................... 219
Larésistancedel’air........................................................................................................................................................................................................ 221
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 223
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 225
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 226
66
CHAPITRE
LATROISIÈMELOI
DENEWTON.................................................................................................................................................................................... 233
6.1 Laloidel’actionetdelaréaction........................................................................................................................................................... 234
Quelquesapplicationsdelatroisièmeloi................................................................................................................................................ 236
Leprincipedelamarche............................................................................................................................................................................................ 238
Leprincipedumoteur-fuséeetdumoteuràréaction................................................................................................................ 239
VIII
TABLEDESMATIÈRES
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6.2 Laforcecentripète...................................................................................................................................................................................................... 241
LABO
12.LAFORCECENTRIPÈTE
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 245
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 246
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 247
Passionnésdescience........................................................................................................................................................................................................... 251
PARTIE III
LETRAVAILETL’ÉNERGIE.......................................................................................................................... 253
77
CHAPITRE
LETRAVAIL
ETLAPUISSANCE................................................................................................................................................................. 255
7.1 Leconceptdetravail................................................................................................................................................................................................ 256
Letravaileffectuélorsquelaforceetledéplacementsontparallèles....................................................................... 256
Letravaileffectuélorsquelaforceetledéplacementnesontpasparallèles.................................................... 257
Letravaileffectuéparplusd’uneforce....................................................................................................................................................... 260
7.2 Letravaild’uneforceconstanteetd’uneforcevariable......................................................................................... 265
Letravaileffectuéparuneforceconstante............................................................................................................................................ 265
Letravaileffectuéparuneforcevariable.................................................................................................................................................. 266
7.3 Leconceptdepuissance...................................................................................................................................................................................... 269
Résumé...................................................................................................................................................................................................................................................... 271
Matièreàréflexion.................................................................................................................................................................................................................... 273
Exercices................................................................................................................................................................................................................................................. 274
88
CHAPITRE
L’ÉNERGIE........................................................................................................................................................................................... 279
8.1 Leconceptd’énergie................................................................................................................................................................................................. 280
LABO
13.L’ÉTUDEDEL’ÉNERGIETOTALED’UNCORPS
L’énergieetletravail........................................................................................................................................................................................................ 280
L’énergieetlapuissance............................................................................................................................................................................................. 280
IX
TABLEDESMATIÈRES