COURS DE PHYSIQUE, 2ÈME ANNÉE, NIVEAU SECONDAIRE, POUR LES OPTIONS COMMUNES, ENSEIGNEMENT SECONDAIRE EN RDC

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

PRÉLIMINAIRES

0.1. Objectifs du cours et lien avec la première année 🔗

Ce cours s’appuie sur les fondements de la mécanique établis en première année pour explorer deux domaines majeurs de la physique classique : la thermodynamique et l’optique géométrique. L’objectif est de développer la capacité de l’élève à analyser les transferts d’énergie thermique et à comprendre la formation des images, compétences essentielles pour interpréter les phénomènes naturels et les technologies modernes.

0.2. Compétences visées 🎯

Au terme de cette année, l’élève doit maîtriser les compétences suivantes :

• Analyser les phénomènes de dilatation et de transfert de chaleur dans des situations concrètes.
• Appliquer les principes de la calorimétrie pour quantifier les échanges d’énergie thermique.
• Décrire les changements d’état de la matière et leurs lois.
• Tracer la marche des rayons lumineux à travers des systèmes optiques simples (miroirs, lentilles).
• Expliquer le fonctionnement de l’œil et de quelques instruments d’optique fondamentaux.
• Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour vérifier les lois de la réflexion, de la réfraction et de la calorimétrie.

0.3. Approche expérimentale et contextualisation 🇨🇩

L’expérimentation constitue le pilier de l’apprentissage en deuxième année. La vérification des lois de la dilatation, les mélanges dans un calorimètre ou la formation d’images sur un banc d’optique sont des manipulations indispensables. La contextualisation s’appuiera sur des exemples locaux : l’étude de la dilatation peut être liée à la construction des rails du chemin de fer Matadi-Kinshasa ; la propagation de la chaleur par rayonnement peut s’illustrer par l’ensoleillement intense à Kananga ; les principes d’optique peuvent expliquer le fonctionnement des appareils photo utilisés pour capturer la beauté du parc national des Virunga.

PARTIE I : ÉNERGIE ET TRANSFORMATIONS THERMIQUES

Chapitre 1 : Le Concept d’Énergie et sa Conservation

1.1. Formes d’énergie : potentielle et cinétique (Rappel et approfondissement) 💨

Cette section consolide les notions d’énergie mécanique vues en première année. L’énergie cinétique, , est l’énergie liée au mouvement, tandis que l’énergie potentielle de pesanteur, , est l’énergie liée à l’altitude. L’aperçu insiste sur le fait que l’énergie est une grandeur scalaire, dont l’unité est le joule (J), capable de se présenter sous différentes formes.

1.2. Principe de conservation de l’énergie mécanique 🔄

Dans un système isolé, où les frottements sont négligeables, l’énergie mécanique totale, qui est la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle, demeure constante. Ce principe fondamental est illustré par l’exemple d’un pendule simple ou d’un objet en chute libre, où l’énergie potentielle se transforme continuellement en énergie cinétique et inversement.

1.3. Transformation de l’énergie : travail et chaleur 🔥

L’étude dépasse le cadre des systèmes isolés en introduisant la chaleur comme une forme de transfert d’énergie. Des exemples concrets, comme le frottement des mains ou le freinage d’un véhicule, montrent la conversion du travail mécanique en chaleur. Inversement, le concept de transformation de la chaleur en travail est introduit, posant les bases de la compréhension des moteurs thermiques, comme celui de la machine à vapeur.

Chapitre 2 : Thermométrie et Dilatation

2.1. Propagation de la chaleur ♨️

Les trois modes de transfert de l’énergie thermique sont décrits et illustrés expérimentalement.

• La conduction : transfert de chaleur de proche en proche dans la matière, sans déplacement de celle-ci (une barre de fer chauffée à une extrémité).
• La convection : transfert de chaleur avec déplacement de matière, typique des fluides (l’eau qui chauffe dans une casserole).
• Le rayonnement : transfert de chaleur par ondes électromagnétiques, qui peut se faire dans le vide (la chaleur du soleil nous parvenant).

2.2. Température et sa mesure : thermomètres et échelles 🌡️

La température est définie comme une grandeur qui caractérise l’état thermique d’un corps et son niveau d’agitation moléculaire. Le fonctionnement du thermomètre à liquide, basé sur la dilatation, est expliqué. L’échelle Celsius (°C) est définie par deux points fixes : la température de fusion de la glace (0 °C) et la température d’ébullition de l’eau (100 °C) sous pression atmosphérique normale.

2.3. Dilatation des solides et des liquides 📈

L’augmentation de la température provoque généralement une augmentation des dimensions des corps. L’étude de la dilatation linéaire et cubique des solides est abordée, avec des applications technologiques importantes comme les joints de dilatation sur les ponts, tel que le pont Maréchal à Matadi. La dilatation des liquides est également examinée, en distinguant la dilatation apparente de la dilatation absolue et en étudiant le cas particulier de l’eau dont la masse volumique est maximale à 4 °C.

2.4. Dilatation des gaz et la notion de température absolue 🌬️

Les gaz se dilatent beaucoup plus que les solides ou les liquides. Les lois de Gay-Lussac et de Charles, qui décrivent la relation entre le volume, la pression et la température d’un gaz, sont introduites. Ces lois mènent à la notion de température absolue, mesurée en kelvins (K), et à l’équation d’état des gaz parfaits (). L’identité entre le degré Celsius et le kelvin comme unité de variation de température est soulignée.

Chapitre 3 : Calorimétrie : Mesure des Échanges de Chaleur

3.1. Quantité de chaleur et chaleur massique 💧

La quantité de chaleur, , est l’énergie thermique transférée d’un corps chaud vers un corps froid. Son unité usuelle est la kilocalorie (kcal). La chaleur massique, , est une propriété de la substance qui représente la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 °C la température d’une masse de 1 kg de cette substance. La relation fondamentale de la calorimétrie, , est établie.

3.2. Le calorimètre et l’équilibre thermique ⚖️

Le calorimètre est présenté comme une enceinte isolée thermiquement permettant de mesurer les quantités de chaleur échangées lors d’un mélange. Le principe des échanges de chaleur est énoncé : dans un système isolé, la somme des quantités de chaleur échangées est nulle, ce qui signifie que la chaleur cédée par les corps chauds est égale à la chaleur absorbée par les corps froids. Des expériences de détermination de la chaleur massique d’un solide ou d’un liquide sont réalisées.

3.3. Chaleur massique des gaz 💨

L’aperçu introduit la particularité des gaz, dont la chaleur massique dépend des conditions de chauffage. Une distinction est faite entre la chaleur massique à pression constante () et la chaleur massique à volume constant (), sans entrer dans des calculs complexes, mais pour souligner la différence de comportement par rapport aux solides et liquides.

Chapitre 4 : Changements d’État de la Matière

4.1. Fusion et solidification 🧊

L’étude porte sur le passage de l’état solide à l’état liquide (fusion) et inversement (solidification). Les lois de ce changement d’état sont établies : il se produit à température constante (le palier de température) et la température de fusion est caractéristique d’un corps pur.

4.2. Vaporisation et liquéfaction 💨

Le passage de l’état liquide à l’état gazeux (vaporisation) est analysé sous ses deux formes : l’évaporation (à toute température) et l’ébullition (à une température fixe). Les lois de l’ébullition et de la liquéfaction sont analogues à celles de la fusion. La distinction entre vapeur saturante et non saturante est clarifiée.

4.3. Autres changements d’état et applications 🔬

Les passages directs solide-gaz (sublimation) et gaz-solide (condensation) sont brièvement mentionnés. Des applications technologiques des changements d’état sont présentées, telles que la distillation simple pour purifier un liquide, ou l’hygrométrie pour mesurer l’humidité de l’air, un paramètre climatique important dans la région équatoriale de Mbandaka.

PARTIE II : OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE

Chapitre 5 : Principes Fondamentaux de la Lumière

5.1. Propagation rectiligne de la lumière 📏

Ce principe de base de l’optique géométrique est introduit : dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite. Les concepts de source lumineuse, de rayon lumineux (modélisation du trajet de la lumière) et de faisceau lumineux sont définis.

5.2. Interaction de la lumière avec la matière 🌈

L’analyse porte sur ce qui arrive à la lumière lorsqu’elle rencontre un objet. Les corps sont classés en transparents, translucides et opaques. Les phénomènes de réflexion, de réfraction, de diffusion et d’absorption sont définis et illustrés, formant la base de toute l’étude de l’optique.

Chapitre 6 : La Réflexion et les Miroirs

6.1. Lois de la réflexion 📐

Les deux lois de la réflexion sont établies expérimentalement à l’aide d’un miroir plan. Le rayon incident, la normale à la surface et le rayon réfléchi sont dans un même plan. L’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence ().

6.2. Images formées par les miroirs plans et sphériques 🪞

La construction de l’image d’un objet donnée par un miroir plan (virtuelle, droite et symétrique) est maîtrisée. L’étude est ensuite étendue aux miroirs sphériques (concaves et convexes), en se concentrant sur la construction graphique des images à l’aide des rayons principaux (rayon parallèle à l’axe, rayon passant par le foyer, rayon passant par le centre de courbure).

Chapitre 7 : La Réfraction et les Lentilles

7.1. Lois de la réfraction (Snell-Descartes) 💎

La réfraction, ou déviation de la lumière lors du passage d’un milieu transparent à un autre, est étudiée quantitativement. Les lois de Snell-Descartes sont énoncées, introduisant la notion d’indice de réfraction d’un milieu. Le cas particulier de la réflexion totale est exploré, un phénomène crucial pour les fibres optiques.

7.2. Applications : lame à faces parallèles et prisme プリズム

Le trajet de la lumière à travers une lame à faces parallèles (provoquant une simple translation du rayon) et un prisme (provoquant une déviation et une dispersion de la lumière blanche) est analysé comme une application directe des lois de la réfraction.

7.3. Lentilles minces : convergentes et divergentes 🔍

Les lentilles, éléments optiques essentiels, sont classées en deux catégories : les lentilles convergentes (à bords minces) qui font converger un faisceau de lumière parallèle, et les lentilles divergentes (à bords épais) qui le font diverger.

7.4. Construction des images et vergence 📈

La méthode de construction graphique des images d’objets à travers les lentilles minces est développée, en utilisant les rayons principaux. La notion de vergence (), mesurée en dioptries (δ), est introduite comme mesure de la capacité d’une lentille à faire converger ou diverger la lumière.

Chapitre 8 : Instruments d’Optique

8.1. L’œil humain : modèle optique et correction 👁️

L’œil est présenté comme un système optique complexe, modélisé par une lentille convergente (le cristallin) qui forme une image sur un écran (la rétine). Les principaux défauts de vision (myopie, hypermétropie) sont expliqués par une inadéquation de la distance focale de l’œil, et leur correction par des lentilles appropriées est démontrée.

8.2. Instruments de projection et de capture d’image 📸

Le fonctionnement de l’appareil photographique et du projecteur de diapositives est expliqué. Ces instruments sont basés sur le principe de la formation d’une image réelle par une lentille convergente, soit sur un capteur/film, soit sur un grand écran.

8.3. Instruments d’observation (loupe, microscope, lunette) 🔭

Le principe de la loupe (obtenir une image virtuelle agrandie d’un objet proche) est étudié. Le microscope et la lunette astronomique sont ensuite présentés comme des systèmes plus complexes à deux lentilles (objectif et oculaire) permettant d’observer des objets très petits ou très éloignés.

ANNEXES

Annexe 1 : Tableaux des chaleurs massiques et des chaleurs latentes 📊

Cette annexe contient des données numériques de référence pour des substances courantes (eau, fer, cuivre, etc.). Elle fournit les valeurs de chaleur massique ainsi que les chaleurs latentes de fusion et de vaporisation, utiles pour la résolution des exercices de calorimétrie.

Annexe 2 : Formulaire d’optique géométrique 📝

Un recueil des formules essentielles étudiées en optique : relations de conjugaison et de grandissement pour les miroirs et les lentilles, définition de la vergence. Chaque formule est accompagnée d’une explication des conventions de signe à utiliser.

Annexe 3 : Schémas de construction d’images pour miroirs et lentilles ✏️

Cette section propose une série de schémas de référence illustrant la construction graphique de l’image d’un objet pour tous les cas de figure possibles avec les miroirs concaves/convexes et les lentilles convergentes/divergentes, servant de guide visuel pour les élèves.

Annexe 4 : Glossaire des termes d’optique et de thermodynamique 📖

Une liste alphabétique des termes techniques importants introduits durant l’année (Foyer, Dioptrie, Calorimétrie, Convection, etc.), avec une définition claire et concise pour chacun, visant à renforcer la maîtrise du vocabulaire scientifique.