COURS DE PHYSIQUE, 1ÈRE ANNÉE, NIVEAU SECONDAIRE, POUR LES OPTIONS COMMUNES, ENSEIGNEMENT SECONDAIRE EN RDC

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

PRÉLIMINAIRES

0.1. Finalités du cours de physique 🎯

Ce parcours en physique vise à doter l’élève congolais des outils intellectuels nécessaires pour observer, comprendre et questionner le monde naturel et technologique qui l’entoure. L’objectif transcende la simple mémorisation de lois ; il s’agit de cultiver un esprit scientifique, logique et critique, capable d’analyser une situation concrète, de la modéliser et de participer de manière éclairée au développement de la nation.

0.2. Compétences visées 🧠

À l’issue de cette année, l’élève devra être capable de :

• Identifier et décrire un phénomène physique en utilisant un vocabulaire scientifique précis.
• Appliquer les lois et principes de la mécanique et de la statique des fluides pour résoudre des problèmes qualitatifs et quantitatifs simples.
• Utiliser correctement les unités du Système International (SI) et effectuer des conversions simples.
• Mener une démarche expérimentale : observer, émettre une hypothèse, la vérifier par une mesure simple et interpréter le résultat.
• Relier les concepts physiques à des applications technologiques et à des situations de la vie quotidienne en RDC.

0.3. Directives méthodologiques pour l’enseignant 👨‍🏫

La physique est une science expérimentale. Chaque concept doit, dans la mesure du possible, être introduit par une observation ou une expérience simple, même avec du matériel rudimentaire. L’enseignant doit privilégier une approche active, en encourageant les élèves à poser des questions et à manipuler. L’ancrage dans le contexte congolais est impératif : l’étude des forces peut être illustrée par le poussage d’un chariot de « pousse-pousse » à Kinshasa, la pression hydrostatique par la profondeur du fleuve Congo à Matadi, et la puissance par les besoins énergétiques d’une ville comme Lubumbashi.

0.4. L’approche par les situations : un exemple concret 🇨🇩

Au lieu d’énoncer abstraitement le principe d’Archimède, l’enseignant peut poser une situation-problème : « Comment une pirogue en bois lourd ou une barge en acier peuvent-elles flotter sur le lac Kivu alors qu’un simple caillou coule ? ». Cette question initiale suscite la curiosité et sert de fil conducteur à la leçon. Les élèves sont amenés à proposer des hypothèses (la forme, l’air contenu, etc.), qui seront ensuite testées par des expériences (immersion de divers objets, mesure de poids dans l’air et dans l’eau) pour aboutir à la formalisation du principe d’Archimède.

PARTIE I : INTRODUCTION À LA MATIÈRE ET AUX MESURES PHYSIQUES

Chapitre 1 : Les États et la Structure de la Matière

1.1. États physiques et leurs propriétés 🧊💧💨

Cette section explore les trois états fondamentaux de la matière : solide, liquide et gaz. L’aperçu se concentre sur leurs propriétés macroscopiques distinctives. Les solides possèdent une forme et un volume propres (un bloc de malachite du Katanga). Les liquides ont un volume propre mais épousent la forme de leur contenant (l’eau du fleuve Kasaï dans une bouteille). Les gaz n’ont ni forme ni volume propres et occupent tout l’espace disponible (l’air dans une salle de classe).

1.2. Structure atomique et moléculaire de la matière ⚛️

Une interprétation microscopique des états de la matière est fournie en introduisant la structure discontinue de la matière. Les notions d’atomes et de molécules sont présentées comme les constituants de base. L’agitation moléculaire et les distances intermoléculaires permettent d’expliquer pourquoi un solide est rigide (particules très proches et liées), un liquide fluide (particules proches mais mobiles) et un gaz compressible (particules très espacées et en mouvement désordonné).

Chapitre 2 : Phénomènes Électriques Élémentaires

2.1. Électrisation et nature des charges ⚡

Ce point introduit les phénomènes électrostatiques par l’expérience du frottement (par exemple, un stylo en plastique frotté sur un tissu). Les concepts de charge électrique positive et négative sont définis, ainsi que les lois d’attraction et de répulsion. L’électrisation est expliquée par un transfert d’électrons, introduisant une première vision de la structure de l’atome avec un noyau positif et des électrons périphériques négatifs.

2.2. Le courant électrique continu et ses effets 💡

L’étude passe des charges statiques aux charges en mouvement. Le courant électrique continu, produit par des sources comme les piles, est présenté comme un flux ordonné d’électrons. Ses principaux effets sont mis en évidence expérimentalement :

• Effet thermique (Joule) : un fil conducteur chauffe (principe de l’ampoule à incandescence).
• Effet magnétique : un courant crée un champ magnétique (base de l’électroaimant).
• Effet chimique : le courant peut décomposer des substances (électrolyse). Le sens conventionnel du courant (du + vers le -) est établi.

Chapitre 3 : Les Grandeurs Physiques Fondamentales et leur Mesure

3.1. La longueur et sa mesure 📏

La longueur, symbolisée par , est définie comme la première grandeur fondamentale. Son unité dans le Système International (SI) est le mètre (m). Les multiples (kilomètre, km) et sous-multiples (centimètre, cm ; millimètre, mm) sont introduits, en insistant sur l’utilisation des puissances de 10 pour simplifier les notations. La mesure effective à l’aide d’instruments gradués est pratiquée.

3.2. La masse et sa mesure ⚖️

La masse, symbole , est présentée comme la quantité de matière d’un corps. Son unité SI est le kilogramme (kg). Le gramme (g) et la tonne (t) sont définis comme sous-multiple et multiple usuels. Le concept est clarifié par son caractère invariable, quel que soit le lieu où se trouve l’objet.

3.3. Le temps et sa mesure ⏱️

Le temps, symbole , est la troisième grandeur fondamentale abordée. Son unité SI est la seconde (s). Les unités pratiques que sont la minute (min) et l’heure (h) sont définies par rapport à la seconde. La mesure du temps ou d’une durée est essentielle pour l’étude des mouvements.

3.4. Précision et calculs : chiffres significatifs et incertitudes 🎯

Cette section cruciale sensibilise à l’idée qu’aucune mesure physique n’est parfaitement exacte. Les notions d’incertitude absolue (la marge d’erreur de l’instrument) et d’incertitude relative (qui évalue la qualité de la mesure) sont introduites. La règle des chiffres significatifs est établie pour garantir que les résultats de calculs ne prétendent pas à une précision supérieure à celle des données initiales.

PARTIE II : MÉCANIQUE : ÉTUDE DES FORCES ET DES MOUVEMENTS

Chapitre 4 : Statique : L’Équilibre des Forces

4.1. Le concept de force et ses caractéristiques 💪

Une force est définie par ses effets : elle peut déformer un objet (effet statique) ou modifier son mouvement (effet dynamique). Une force est une grandeur vectorielle, caractérisée par quatre éléments :

• Son point d’application
• Sa direction (ou droite d’action)
• Son sens
• Son intensité, mesurée en newtons (N).

4.2. Composition et décomposition des forces ➕

L’étude se concentre sur la manière de combiner (composition) ou de décomposer des forces agissant sur un même point. La recherche de la résultante (la force unique produisant le même effet que plusieurs forces combinées) est effectuée graphiquement par la méthode du parallélogramme pour deux forces et du polygone pour plusieurs forces. La condition d’équilibre d’un point matériel (la somme vectorielle des forces est nulle, ) est établie.

4.3. Le poids : une force omniprésente 🌍

Le poids d’un corps, noté , est défini comme la force d’attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur ce corps. Il est toujours vertical, dirigé vers le bas. On démontre expérimentalement la proportionnalité entre le poids et la masse d’un corps, un concept qui sera approfondi en dynamique.

4.4. Moment d’une force et équilibre de rotation 🔄

Le moment d’une force, symbole , est introduit pour quantifier la capacité d’une force à faire tourner un objet autour d’un axe (pivot). Il est défini par la relation , où  est le bras de levier. L’unité est le newton-mètre (N.m). La condition d’équilibre de rotation est que la somme des moments qui tendent à faire tourner l’objet dans un sens est égale à la somme des moments qui tendent à le faire tourner en sens inverse.

4.5. Centre de gravité et conditions d’équilibre 🧘

Le centre de gravité (G) d’un corps est défini comme le point d’application de son poids. Sa position est déterminée expérimentalement pour des objets simples. Les trois types d’équilibre (stable, instable, indifférent) sont illustrés en fonction de la position du centre de gravité par rapport au point d’appui ou de suspension. Un exemple pertinent est la stabilité d’une charge sur la tête d’une vendeuse au marché de la liberté à Masina.

4.6. Instruments de mesure : dynamomètre et balance 🔬

Deux instruments de mesure fondamentaux sont distingués. Le dynamomètre, basé sur l’allongement d’un ressort, mesure l’intensité des forces (et donc des poids) en newtons. La balance (type Roberval ou trébuchet), basée sur l’équilibre des moments, compare des masses et donne un résultat en kilogrammes.

Chapitre 5 : Cinématique : Description des Mouvements

5.1. Mouvement Rectiligne Uniforme (MRU) 🚗

Le MRU est le mouvement le plus simple : un déplacement en ligne droite à vitesse constante. La vitesse, , est définie par la relation , où  est la distance parcourue et  la durée. Son unité SI est le mètre par seconde (m/s), avec une unité pratique, le kilomètre par heure (km/h). Les graphiques de la position en fonction du temps, , et de la vitesse en fonction du temps, , sont étudiés.

5.2. Mouvement Rectiligne Uniformément Varié (MRUV) 🚀

Le MRUV décrit un mouvement en ligne droite où la vitesse change de manière uniforme. Cette variation de vitesse est quantifiée par l’accélération, , définie par . Son unité SI est le mètre par seconde au carré (m/s²). Les équations horaires du mouvement ( et ) sont établies et utilisées dans des exercices.

Chapitre 6 : Dynamique : Relation entre Forces et Mouvements

6.1. La relation fondamentale de la dynamique (Loi de Newton) ന്യൂട്ടൺ

Ce point central établit le lien de cause à effet entre la force et l’accélération. La deuxième loi de Newton est présentée sous sa forme simplifiée : la force résultante appliquée à un corps est égale au produit de la masse du corps par son accélération (). Cette relation permet de définir le newton comme la force qui communique à une masse de 1 kg une accélération de 1 m/s².

6.2. Application : la chute libre des corps 🍂

La chute libre est étudiée comme un cas particulier de MRUV où la seule force agissante est le poids. L’accélération est alors constante et appelée accélération de la pesanteur, notée . Sa valeur moyenne à la surface de la Terre est d’environ . Les équations du mouvement de chute libre sont déduites des équations générales du MRUV.

6.3. Distinction fondamentale : masse et poids () ✅

Grâce à la relation fondamentale de la dynamique, la relation de proportionnalité entre le poids et la masse est enfin formalisée : . Cette équation ancre la différence cruciale entre la masse (kg), propriété intrinsèque d’un corps, et le poids (N), la force qu’il subit et qui dépend de l’astre où il se trouve (son poids serait moindre sur la Lune).

Chapitre 7 : Travail, Puissance et Machines Simples

7.1. Le travail d’une force 🛠️

En physique, le travail, , n’est produit que si une force provoque un déplacement. Pour une force constante agissant dans la même direction que le déplacement, le travail est calculé par . L’unité de travail est le joule (J), défini comme le travail d’une force de 1 N sur une distance de 1 m.

7.2. La puissance mécanique ⚡

La puissance, , mesure la rapidité avec laquelle un travail est effectué. Elle est définie comme le travail fourni par unité de temps : . L’unité de puissance est le watt (W), qui correspond à un joule par seconde. Des exemples concrets, comme la puissance requise pour un camion pour gravir une pente à Mbuji-Mayi, permettent de donner un sens à cette grandeur.

7.3. Application pratique : les machines simples ⚙️

Les machines simples (levier, poulie, plan incliné) sont présentées comme des dispositifs qui permettent de modifier la valeur ou la direction d’une force pour rendre une tâche plus facile. Leur fonctionnement est analysé sous l’angle du travail et des moments de force. Par exemple, le plan incliné permet de soulever une lourde charge en appliquant une force plus faible sur une plus grande distance.

PARTIE III : MÉCANIQUE DES FLUIDES AU REPOS

Chapitre 8 : Propriétés des Fluides et Pression

8.1. Grandeurs caractéristiques : masse volumique et densité ⚖️

La masse volumique, symbolisée par  (rho), caractérise la masse d’une substance par unité de volume (). Son unité SI est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). La densité, , est un nombre sans dimension qui compare la masse volumique d’une substance à celle de l’eau. Ces grandeurs sont déterminées expérimentalement pour des solides et des liquides.

8.2. Le concept de pression 📌

La pression, , est définie comme la force exercée perpendiculairement sur une surface, par unité de surface : . L’unité SI de pression est le pascal (Pa), équivalent à un newton par mètre carré (N/m²). La distinction entre force et pression est soulignée : une même force (le poids d’une personne) produit une pression très différente selon la surface sur laquelle elle s’exerce (chaussures plates ou talons aiguilles).

Chapitre 9 : Principes Fondamentaux de la Statique des Fluides

9.1. Pression au sein d’un liquide : principe de l’hydrostatique 💧

Cette section établit que la pression dans un liquide en équilibre augmente avec la profondeur. La différence de pression entre deux points est donnée par la relation . Une conséquence directe est que tous les points situés à une même profondeur dans un liquide subissent la même pression, ce qui explique le principe des vases communicants.

9.2. Principe de Pascal et ses applications  hydraulic press

Le théorème de Pascal stipule qu’une pression exercée sur un fluide incompressible est transmise intégralement en tout point du fluide. Ce principe est le fondement de nombreuses applications hydrauliques, comme le système de freinage d’un véhicule ou la presse hydraulique, qui permet de démultiplier une force.

9.3. Principe d’Archimède et la flottaison 🚢

Tout corps plongé dans un fluide subit une force verticale, dirigée vers le haut, appelée poussée d’Archimède. L’intensité de cette poussée est égale au poids du volume de fluide déplacé. Ce principe explique pourquoi les objets flottent : un corps flotte si la poussée d’Archimède équilibre son poids. C’est ce qui permet aux grands navires transportant le bois de Kisangani de flotter sur le fleuve Congo.

Chapitre 10 : Statique des Gaz et Pression Atmosphérique

10.1. La pression atmosphérique et sa mesure 🌬️

Les gaz, comme l’air, ont un poids et exercent donc une pression : la pression atmosphérique. L’existence de cette pression est démontrée par des expériences historiques (hémisphères de Magdebourg). Le baromètre est présenté comme l’instrument servant à sa mesure.

10.2. Loi de Boyle-Mariotte 🎈

Cette loi décrit le comportement d’un gaz à température constante. Elle énonce que le produit de la pression par le volume d’une quantité de gaz donnée est constant (). Autrement dit, si l’on comprime un gaz, sa pression augmente.

10.3. Applications des principes de pression 🥤

Plusieurs dispositifs courants sont expliqués par les principes de pression : la pipette et la seringue fonctionnent grâce à la création d’une dépression, tandis que la pompe à vélo utilise la compression de l’air pour augmenter la pression dans un pneu.

ANNEXES

Annexe 1 : Tableau des unités du Système International (SI) 🌍

Cette annexe fournit un tableau récapitulatif des grandeurs fondamentales et dérivées vues au cours, avec leurs symboles, leurs unités SI et les symboles de ces unités. Elle sert de référence rapide pour les élèves lors de la résolution d’exercices.

Annexe 2 : Formulaire de mécanique 📝

Un recueil des formules essentielles étudiées en mécanique et en statique des fluides. Chaque formule est accompagnée d’une brève description des grandeurs impliquées et de leurs unités respectives. Cet outil est conçu pour aider à la révision et à l’application des connaissances.

Annexe 3 : Glossaire des termes clés 📖

Une liste alphabétique des termes scientifiques importants introduits durant l’année (Accélération, Force, Pression, Travail, etc.), avec une définition claire et concise pour chacun. Ce glossaire aide à la consolidation du vocabulaire scientifique.

Annexe 4 : Figures historiques de la physique 📜

De courtes notices biographiques sur les savants dont les lois et principes ont été étudiés (Archimède, Newton, Pascal, etc.). Cette section ajoute une dimension culturelle et historique au cours, montrant que la science est une construction humaine progressive.