COURS DE PHYSIQUE, 3ÈME ANNÉE, OPTION HUMANITÉS SCIENTIFIQUES

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Profil de l’élève et Prérequis

L’élève abordant ce cours de physique en troisième année des Humanités Scientifiques doit posséder une maîtrise solide des concepts mathématiques fondamentaux, notamment la manipulation des vecteurs, la résolution d’équations algébriques et la trigonométrie. Il doit avoir acquis les notions élémentaires d’électricité et de magnétisme enseignées au cycle terminal de l’éducation de base (CTEB). La compréhension de la structure atomique de la matière, vue en chimie, constitue un prérequis indispensable pour appréhender les phénomènes d’électrisation et de conduction. L’élève doit faire preuve de curiosité scientifique, d’esprit d’observation et d’une aptitude à modéliser des phénomènes physiques par des relations mathématiques rigoureuses.

2. Compétences Visées

Ce cours vise le développement de compétences analytiques et techniques permettant à l’apprenant d’interpréter les phénomènes électromagnétiques qui régissent l’univers et la technologie moderne. L’élève devra être capable de dimensionner des circuits électriques simples et complexes, de comprendre le fonctionnement des machines électriques (générateurs, moteurs) et d’analyser les interactions entre champs et particules. Il développera également des compétences pratiques en métrologie électrique, essentielles pour la maintenance et la conception de systèmes énergétiques, répondant ainsi aux besoins croissants en électrification de la République Démocratique du Congo.

3. Méthodologie et Approche Pédagogique

L’enseignement privilégie une approche hypothético-déductive, alternant entre l’observation expérimentale et la formalisation théorique. Les séquences didactiques intègrent des manipulations concrètes (montages de circuits, usage de l’oscilloscope) et la résolution de problèmes contextuels liés aux réalités congolaises, tels que le transport de l’énergie depuis le barrage d’Inga ou l’utilisation de kits solaires en milieu rural. L’utilisation des TIC est encouragée pour la simulation de champs complexes et l’analyse de données expérimentales.

4. Objectifs Généraux

Le programme a pour objectif de fournir une compréhension approfondie des lois de l’électrostatique, de l’électrocinétique et de l’électromagnétisme. Il ambitionne de former des esprits capables d’appliquer les lois de Coulomb, d’Ohm, de Joule et de Laplace à des situations réelles. Le cours prépare les élèves aux études supérieures en polytechnique, en sciences physiques ou en ingénierie, en leur fournissant les outils conceptuels nécessaires pour innover dans le secteur énergétique et industriel.

Partie 1 : Électrostatique et Champ Électrique ⚡

Cette première partie établit les fondements de l’interaction électrique en étudiant les charges au repos. Elle explore les forces qui s’exercent entre particules chargées et introduit le concept vectoriel de champ électrique, essentiel pour comprendre l’action à distance. L’analyse énergétique des systèmes chargés conduit à la compréhension des condensateurs, composants clés de l’électronique moderne.

Chapitre 1 : Interactions Électriques et Loi de Coulomb (MSP 5.1)

1.1. Phénomènes d’électrisation et nature de la charge

Cette section analyse les mécanismes microscopiques de l’électrisation par frottement, contact et influence. Elle définit la quantification de la charge électrique et le principe de conservation de la charge. L’étude du pouvoir des pointes et du fonctionnement de la cage de Faraday permet d’expliquer les principes de protection contre la foudre, phénomène fréquent dans les zones équatoriales de la RDC.

1.2. Loi fondamentale de l’électrostatique (Loi de Coulomb)

L’interaction entre deux charges ponctuelles immobiles est formalisée par la loi de Coulomb. Ce point détaille la dépendance de la force électrostatique vis-à-vis de la distance et de la grandeur des charges, ainsi que l’influence de la permittivité du milieu (vide, air, isolants). L’analyse vectorielle des forces attractives et répulsives permet de résoudre des problèmes de configurations géométriques de charges.

1.3. Principe de superposition des forces

L’étude s’étend aux systèmes comportant plusieurs charges ponctuelles. Cette section développe la méthode de calcul de la force résultante s’exçant sur une charge donnée en effectuant la somme vectorielle des forces individuelles. Elle aborde l’équilibre des charges dans des configurations linéaires et planes, renforçant la maîtrise du calcul vectoriel appliqué à la physique.

1.4. Applications pratiques de l’électrostatique

Ce point explore les applications industrielles et domestiques des phénomènes électrostatiques. Il décrit le fonctionnement du paratonnerre pour la protection des édifices, les principes de la peinture électrostatique utilisée dans l’industrie automobile et les techniques de dépoussiérage industriel, pertinentes pour les installations minières du Katanga ou les cimenteries du Kongo Central.

Chapitre 2 : Champ Électrique et Potentiel (MSP 5.2, 5.3)

2.1. Notion et vecteur champ électrique

Le concept de champ électrique est introduit comme une modification des propriétés de l’espace par une charge source. Cette section définit les caractéristiques du vecteur champ électrique (direction, sens, intensité) créé par une charge ponctuelle et par une distribution de charges. La représentation des lignes de champ permet de visualiser la topographie électrique autour des conducteurs de formes variées.

2.2. Champ électrique uniforme

L’analyse se focalise sur le champ électrique constant régnant entre deux plaques parallèles chargées (condensateur plan). Ce point établit la relation entre le champ électrique, la tension appliquée et la distance entre les armatures. Il étudie le mouvement des particules chargées dans un champ uniforme, base du fonctionnement des oscilloscopes et des accélérateurs de particules.

2.3. Énergie potentielle électrique et Travail

Cette section définit l’énergie potentielle d’une charge placée dans un champ électrique et le travail effectué par la force électrique lors du déplacement de cette charge. Elle démontre que la force électrostatique est conservative, permettant de définir le travail indépendamment du chemin suivi. Le lien est établi avec les concepts mécaniques d’énergie et de travail.

2.4. Différence de potentiel (Tension électrique)

Le concept de potentiel électrique en un point est défini par rapport à une référence. Ce point formalise la différence de potentiel (ddp) ou tension entre deux points d’un champ électrique. Il explicite la relation fondamentale  dans un champ uniforme et définit le volt et l’électron-volt, unités indispensables en physique atomique et nucléaire.

Chapitre 3 : Condensateurs et Diélectriques (MSP 5.4)

3.1. Constitution et capacité d’un condensateur

Le condensateur est présenté comme un réservoir de charges électriques. Cette section définit la capacité électrique comme le rapport entre la charge accumulée et la tension appliquée. Elle analyse l’influence de la géométrie des armatures et de la nature du diélectrique (isolant) sur la valeur de la capacité, en utilisant la permittivité relative des matériaux.

3.2. Association des condensateurs

L’étude des groupements de condensateurs est essentielle pour l’adaptation des circuits. Ce point développe les lois d’association en série (division de la tension, inverse de la capacité équivalente) et en parallèle (somme des charges, somme des capacités). Des exercices pratiques permettent de calculer la capacité équivalente de réseaux complexes.

3.3. Énergie emmagasinée dans un condensateur

Le processus de charge d’un condensateur est analysé sous l’angle énergétique. Cette section établit les formules de l’énergie potentielle électrostatique stockée dans le champ électrique du condensateur (). Elle discute des applications de cette libération rapide d’énergie dans les flashs d’appareils photo ou les défibrillateurs médicaux.

3.4. Rôle et types de condensateurs

Ce point passe en revue les différentes technologies de condensateurs (céramique, électrolytique, variable) et leurs usages spécifiques. Il explique le rôle des condensateurs dans le filtrage, le lissage de tension et les circuits oscillants, connectant la théorie électrostatique à l’électronique pratique utilisée dans la maintenance des équipements à Kinshasa et ailleurs.

Partie 2 : Électrodynamique et Circuits Électriques 🔋

Cette partie centrale du cours traite des charges en mouvement, constituant le courant électrique. Elle analyse les lois régissant les circuits à courant continu, depuis la génération de l’énergie jusqu’à sa consommation, en passant par sa distribution. L’accent est mis sur l’énergétique électrique et le dimensionnement des installations domestiques et industrielles.

Chapitre 4 : Courant Électrique et Résistance (MSP 5.5, 5.6, 5.9)

4.1. Nature et intensité du courant électrique

Le courant électrique est défini comme un déplacement d’ensemble de porteurs de charges. Cette section distingue le sens conventionnel du sens électronique réel. Elle définit l’intensité du courant comme le débit de charges () et introduit la densité de courant. La loi de conservation de la charge dans un nœud (loi des nœuds) est établie comme principe fondamental.

4.2. Résistance électrique et Loi de Pouillet

L’opposition au passage du courant offerte par les matériaux est quantifiée par la résistance. Ce point énonce la loi de Pouillet, reliant la résistance aux dimensions géométriques du conducteur (longueur, section) et à la nature du matériau (résistivité). L’influence de la température sur la résistivité est analysée, justifiant le choix des matériaux pour les lignes de transport d’Inga (cuivre, aluminium).

4.3. Loi d’Ohm pour un conducteur ohmique

La relation linéaire entre la tension et l’intensité pour les conducteurs métalliques est formalisée par la loi d’Ohm (). Cette section trace la caractéristique tension-courant d’un résistor et définit la conductance. Elle permet de modéliser le comportement des charges passives dans les circuits électroniques et de distribution électrique.

4.4. Code des couleurs et rhéostats

Ce point pratique enseigne la lecture de la valeur des résistances normalisées à l’aide du code des couleurs international. Il décrit également le fonctionnement et l’utilisation des rhéostats et potentiomètres pour faire varier l’intensité ou la tension dans un circuit, application directe dans le réglage des appareils électriques domestiques.

Chapitre 5 : Analyse des Circuits et Mesures (MSP 5.8, 5.9, 5.11)

5.1. Appareils de mesures électriques

La métrologie électrique est indispensable à l’expérimentation. Cette section décrit le principe de fonctionnement et le mode de branchement de l’ampèremètre (en série) et du voltmètre (en dérivation). Elle aborde l’utilisation du multimètre numérique et analogique, le choix des calibres, la lecture des échelles et l’estimation des incertitudes de mesure.

5.2. Association de résistances

L’analyse des circuits passifs complexes repose sur les lois d’association. Ce point développe les formules de la résistance équivalente pour les couplages en série (diviseur de tension) et en parallèle (diviseur de courant). Il traite également des montages mixtes, nécessitant une approche méthodique de simplification progressive du circuit.

5.3. Loi d’Ohm généralisée aux circuits

L’extension de la loi d’Ohm à une portion de circuit comprenant des générateurs et des récepteurs est formalisée. Cette section établit la relation entre la différence de potentiel aux bornes d’un dipôle actif et les paramètres du circuit (f.é.m., f.c.é.m., résistances internes). Elle permet de calculer les courants et tensions dans n’importe quelle branche d’un réseau électrique.

5.4. Lois de Kirchhoff

Pour les réseaux électriques maillés complexes, les lois de Kirchhoff (loi des nœuds et loi des mailles) sont introduites. Ce point enseigne la méthode de résolution des systèmes d’équations linéaires issus de l’application de ces lois, compétence essentielle pour l’analyse des réseaux de distribution électrique urbains et ruraux.

Chapitre 6 : Énergie, Puissance et Générateurs (MSP 5.7, 5.10 – 5.13)

6.1. Énergie électrique et Loi de Joule

La transformation de l’énergie électrique en chaleur est quantifiée par la loi de Joule (). Cette section définit la puissance électrique () et ses unités (Watt, Kilowatt-heure). Elle analyse les applications thermiques (fours, fers à repasser) et les problèmes liés aux pertes en ligne par effet Joule dans le transport de l’électricité haute tension.

6.2. Générateurs électriques et piles

Le générateur est étudié comme un convertisseur d’énergie (chimique, mécanique) en énergie électrique. Ce point définit la force électromotrice (f.é.m.) et la résistance interne. Il décrit le fonctionnement électrochimique de la pile Leclanché et des accumulateurs au plomb, technologies omniprésentes dans l’alimentation autonome en RDC (véhicules, solaire).

6.3. Récepteurs actifs et bilan de puissance

Les récepteurs transformant l’énergie électrique en une forme autre que la chaleur (moteurs, électrolyseurs) sont caractérisés par leur force contre-électromotrice (f.c.é.m.). Cette section établit le bilan de puissance d’un circuit complet, distinguant la puissance utile, la puissance dissipée et le rendement énergétique des installations.

6.4. Groupement des générateurs

Pour adapter la source d’énergie à la charge, les générateurs peuvent être associés. Ce point analyse les caractéristiques (f.é.m. totale, résistance interne totale) des couplages en série (augmentation de la tension), en parallèle (augmentation de l’intensité disponible) et mixtes. Il guide le choix du couplage optimal pour des applications comme les champs de batteries solaires.

Partie 3 : Magnétisme et Électromagnétisme 🧲

Cette dernière partie explore les phénomènes magnétiques et leur lien intrinsèque avec l’électricité. Elle passe de l’étude des aimants permanents à celle des champs créés par les courants, pour aboutir aux lois de l’induction électromagnétique, principe fondateur de la production industrielle d’électricité au barrage d’Inga et dans les alternateurs.

Chapitre 7 : Magnétostatique et Champ Magnétique (MSP 5.14, 5.15)

7.1. Aimants et interactions magnétiques

L’étude débute par les propriétés des aimants naturels et artificiels. Cette section décrit les pôles magnétiques, l’inséparabilité des pôles et les interactions attractives ou répulsives. Elle introduit la notion de masse magnétique et applique la loi de Coulomb aux interactions magnétiques, en analogie avec l’électrostatique.

7.2. Vecteur induction magnétique

Le champ magnétique est défini vectoriellement en tout point de l’espace. Ce point caractérise le vecteur induction magnétique  (direction, sens, norme en Tesla). Il analyse la topographie des spectres magnétiques visualisés par la limaille de fer pour des aimants droits, en U et des configurations complexes.

7.3. Champ magnétique terrestre

La Terre est présentée comme un aimant géant. Cette section définit les éléments du champ magnétique terrestre : déclinaison, inclinaison et composante horizontale. Elle explique le fonctionnement de la boussole et l’importance du géomagnétisme pour la navigation aérienne et maritime sur le fleuve Congo et les grands lacs.

7.4. Propriétés magnétiques de la matière

Ce point classifie les matériaux selon leur réaction au champ magnétique : diamagnétiques, paramagnétiques et ferromagnétiques. Il approfondit l’étude du ferromagnétisme (cycle d’hystérésis, aimantation rémanente, température de Curie), propriété exploitée dans la fabrication des noyaux de transformateurs et les mémoires magnétiques.

Chapitre 8 : Électromagnétisme et Forces (MSP 5.16 – 5.18)

8.1. Champ magnétique créé par un courant

L’expérience d’Oersted démontre le lien entre électricité et magnétisme. Cette section calcule le champ magnétique créé par un conducteur rectiligne (loi de Biot et Savart), une spire circulaire et un solénoïde. Elle établit les règles de détermination du sens du champ (règle du bonhomme d’Ampère, règle de la main droite).

8.2. Force de Laplace

Un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique subit une force. Ce point énonce la loi de Laplace, déterminant les caractéristiques de cette force électromagnétique (). L’étude vectorielle permet de comprendre le principe de conversion d’énergie électrique en énergie mécanique.

8.3. Applications de la force de Laplace

Cette section analyse le fonctionnement des dispositifs techniques basés sur la force de Laplace : le haut-parleur électrodynamique, le moteur à courant continu et les appareils de mesure à cadre mobile (galvanomètre). Elle illustre comment l’interaction champ-courant est au cœur de l’industrie électromécanique.

8.4. Interaction entre courants parallèles

L’interaction magnétique ne se limite pas aux aimants. Ce point étudie la force qui s’exerce entre deux conducteurs parallèles parcourus par des courants (attraction si même sens, répulsion si sens contraires). Il définit l’Ampère, unité fondamentale du système international (SI), à partir de cette interaction électrodynamique.

Chapitre 9 : Induction Électromagnétique et Phénomènes dans les Gaz (MSP 5.19, 5.20)

9.1. Phénomène d’induction électromagnétique

La variation d’un flux magnétique à travers un circuit engendre un courant. Cette section décrit les expériences de Faraday mettant en évidence la création d’un courant induit par le mouvement relatif aimant-bobine. Elle définit le flux magnétique et pose les bases de la production d’électricité dans les centrales hydroélectriques.

9.2. Lois de Lenz et de Faraday

Les lois régissant l’induction sont formalisées. La loi de Lenz détermine le sens du courant induit (qui s’oppose à la cause qui lui donne naissance), tandis que la loi de Faraday quantifie la force électromotrice d’induction (). Ces lois expliquent le freinage électromagnétique et le principe des transformateurs.

9.3. Auto-induction et courants de Foucault

L’induction peut se produire dans le circuit inducteur lui-même. Ce point aborde le phénomène d’auto-induction, définit l’inductance d’une bobine et analyse le comportement du courant à la fermeture et à l’ouverture d’un circuit inductif. Il traite également des courants de Foucault dans les masses métalliques et de leurs effets (chauffage par induction, pertes magnétiques).

9.4. Passage du courant dans les gaz

Le cours se termine par l’étude de la conduction électrique dans les milieux gazeux. Cette section analyse l’ionisation des gaz, la courbe caractéristique du courant (régime ohmique, saturation, avalanche) et la tension de disruption. Elle décrit les phénomènes lumineux associés (arc électrique, effluves) et les applications telles que les tubes fluorescents, les rayons cathodiques et la production de rayons X.

Annexes

Bibliographie

Cette section recense les manuels scolaires conformes au programme national du MEPST, les ouvrages de référence en physique générale (Hecht, Serway) et les ressources documentaires spécifiques à la technologie et à l’industrie en RDC.

Constantes physiques et Unités

Un tableau récapitulatif des constantes universelles utilisées dans le cours (permittivité du vide, perméabilité magnétique, charge élémentaire, masse de l’électron) et des unités du Système International (SI) avec leurs conversions usuelles.

Fiches de Travaux Pratiques

Des protocoles détaillés pour la réalisation des expériences clés : vérification de la loi d’Ohm, relevé de caractéristiques de dipôles, visualisation de spectres magnétiques, étude de la charge et décharge d’un condensateur à l’oscilloscope. Ces fiches incluent les consignes de sécurité électrique.