COURS DE PHYSIQUE, 3ÈME ANNÉE, NIVEAU SECONDAIRE, POUR LES OPTIONS COMMUNES, ENSEIGNEMENT SECONDAIRE EN RDC

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

PRÉLIMINAIRES

0.1. Portée du cours : de l’énergie à l’électromagnétisme 🌌

Ce programme de troisième année constitue une transition fondamentale des concepts de la mécanique et de la thermodynamique vers l’étude de l’électricité et du magnétisme. Il établit les bases de l’électromagnétisme, une théorie unificatrice cruciale pour la compréhension de la quasi-totalité des technologies modernes, de la production d’électricité aux télécommunications.

0.2. Compétences visées 🎯

Au terme de ce parcours, l’élève devra démontrer sa capacité à :

• Appliquer la loi de Coulomb et la loi d’Ohm pour résoudre des problèmes quantitatifs dans des circuits simples.
• Analyser des circuits électriques à courant continu, en calculant les grandeurs caractéristiques (intensité, tension, puissance).
• Expliquer le fonctionnement de base d’un générateur, d’un moteur et des phénomènes d’électrolyse.
• Décrire qualitativement et quantitativement les champs magnétiques créés par des aimants et des courants.
• Interpréter le phénomène d’induction électromagnétique comme principe de base de la production d’électricité.
• Mettre en œuvre des montages expérimentaux simples pour vérifier les lois des circuits et les principes de l’électromagnétisme.

0.3. Rôle de l’expérimentation et de la modélisation mathématique 🔬

L’étude de l’électricité impose une démarche duale. L’expérimentation reste centrale pour visualiser les effets du courant (ampoule qui brille, boussole qui dévie, électrolyse de l’eau). Simultanément, la modélisation mathématique devient indispensable. L’enseignant doit guider les élèves pour qu’ils considèrent les formules non comme des recettes abstraites, mais comme des outils puissants pour prédire et quantifier le comportement des systèmes physiques.

PARTIE I : FONDEMENTS ÉNERGÉTIQUES ET ÉLECTROSTATIQUES

Chapitre 1 : Principes d’Énergie et de ses Transformations

1.1. Rappel sur l’énergie mécanique et sa conservation ⚙️

Une révision des concepts d’énergie potentielle () et d’énergie cinétique () est effectuée. Le principe de conservation de l’énergie mécanique () dans les systèmes non dissipatifs est rappelé pour servir de point de départ à une vision plus globale de l’énergie.

1.2. Équivalence travail-chaleur et principe de conservation de l’énergie 🔥

Le principe de conservation est étendu pour inclure les transferts thermiques. Le travail peut être converti en chaleur (frottements) et inversement. L’équivalence entre ces deux grandeurs est quantifiée par l’équivalent mécanique de la calorie (), établissant que la chaleur est une forme d’énergie. Le premier principe de la thermodynamique (conservation de l’énergie totale) est ainsi introduit intuitivement.

Chapitre 2 : L’Électrostatique : Les Charges au Repos

2.1. Phénomènes d’électrisation et structure de la matière ⚡

Cette section interprète les phénomènes d’électrisation (par frottement, contact, et influence) à travers le modèle de l’atome. L’électrisation est expliquée par un transfert ou une redistribution d’électrons, conduisant à un excès ou un défaut de charges négatives. Les concepts de conducteurs, d’isolants, et le principe de conservation de la charge électrique sont établis.

2.2. La loi de Coulomb : quantification de la force électrique ↔️

La force d’interaction entre deux charges électriques ponctuelles est quantifiée par la loi de Coulomb. L’expression mathématique , où , permet de calculer cette force. La définition de l’unité de charge, le coulomb (C), découle de cette loi.

2.3. Le champ électrique 🌐

Pour conceptualiser l’action à distance, la notion de champ électrique, , est introduite. Une charge source  modifie les propriétés de l’espace autour d’elle en créant un champ. Toute autre charge  placée dans ce champ subit alors une force . Cette approche permet de mieux comprendre l’interaction électrique.

PARTIE II : ÉLECTROCINÉTIQUE : LES CIRCUITS À COURANT CONTINU

Chapitre 3 : Le Courant Électrique et ses Grandeurs Fondamentales

3.1. Le courant électrique continu et son intensité 🌊

Le courant électrique est défini comme un déplacement ordonné de porteurs de charge (électrons dans les métaux). L’intensité du courant, , quantifie ce débit de charge () et se mesure en ampères (A) à l’aide d’un ampèremètre branché en série.

3.2. La tension électrique et la différence de potentiel ⚡

La tension électrique, , ou différence de potentiel, est présentée comme la cause du mouvement des charges. Elle représente la différence d’état électrique entre deux points d’un circuit. Elle se mesure en volts (V) à l’aide d’un voltmètre branché en parallèle (ou en dérivation).

Chapitre 4 : Lois Fondamentales des Circuits

4.1. La loi d’Ohm et la résistance électrique 💡

Pour un conducteur ohmique (résistor), la tension à ses bornes est directement proportionnelle à l’intensité du courant qui le traverse. Cette relation est formalisée par la loi d’Ohm : . La constante de proportionnalité, , est la résistance électrique, qui mesure l’opposition du conducteur au passage du courant et s’exprime en ohms (Ω).

4.2. Associations de résistors en série et en parallèle ➕

Les règles de calcul de la résistance équivalente pour des groupements de résistors sont établies.

• En série : Les résistors sont traversés par le même courant. La résistance équivalente est la somme des résistances individuelles :
• En parallèle : Les résistors sont soumis à la même tension. L’inverse de la résistance équivalente est la somme des inverses :

4.3. Énergie et puissance électrique : l’effet Joule 🔥

Le passage du courant dans un résistor provoque un dégagement de chaleur, appelé effet Joule. L’énergie dissipée est  et la puissance correspondante est . En utilisant la loi d’Ohm, la puissance dissipée par effet Joule peut s’écrire . Cet effet est à la base du fonctionnement des appareils de chauffage électrique.

Chapitre 5 : Les Générateurs et les Récepteurs

5.1. Le générateur : force électromotrice et loi d’Ohm généralisée 🔋

Un générateur (pile, batterie) est un dispositif qui convertit une forme d’énergie (chimique, mécanique) en énergie électrique. Il est caractérisé par sa force électromotrice (f.é.m.), , qui représente la tension à ses bornes en circuit ouvert, et sa résistance interne, . La loi d’Ohm appliquée à un circuit complet incluant un générateur est .

5.2. Associations de générateurs 🔋🔋

Les méthodes pour combiner des générateurs en série ou en parallèle sont étudiées afin d’obtenir une f.é.m. ou une capacité de courant plus élevée. Pour des générateurs identiques en série, les f.é.m. et les résistances internes s’ajoutent.

5.3. Bilan de puissance dans un circuit 📊

Dans un circuit, la puissance fournie par le générateur () est distribuée entre la puissance consommée par les récepteurs externes () et la puissance dissipée par effet Joule à l’intérieur du générateur lui-même (). Le rendement du générateur est le rapport de la puissance utile sur la puissance totale.

Chapitre 6 : L’Électrochimie

6.1. Effets chimiques du courant : l’électrolyse et les lois de Faraday 🧪

L’électrolyse est le processus de décomposition d’une substance chimique (l’électrolyte) par le passage d’un courant électrique. Les lois de Faraday établissent une relation quantitative entre la masse de substance transformée aux électrodes et la quantité totale de charge électrique qui a traversé l’électrolyte. Une application industrielle en RDC est l’affinage du cuivre par électrolyse à Lubumbashi.

6.2. Piles et accumulateurs 🔄

Les piles et les accumulateurs sont des générateurs électrochimiques. Une pile transforme l’énergie chimique en énergie électrique de manière irréversible, tandis qu’un accumulateur (batterie) peut être rechargé en inversant le processus par électrolyse.

Chapitre 7 : Le Courant dans les Gaz (Introduction)

7.1. Rayons cathodiques et émissions électroniques 🌌

L’étude qualitative du passage du courant électrique dans les gaz à basse pression est abordée. Cela mène à la découverte des rayons cathodiques (faisceaux d’électrons) et introduit les phénomènes d’émission thermoélectronique (émission d’électrons par un métal chauffé) et photoélectrique (émission d’électrons par un métal éclairé), qui sont à la base de nombreuses technologies électroniques.

PARTIE III : MAGNÉTISME ET ÉLECTROMAGNÉTISME

Chapitre 8 : Le Magnétisme

8.1. Aimants et champ magnétique 🧲

Les propriétés des aimants permanents (pôles nord et sud, attraction et répulsion) sont étudiées. La notion de champ magnétique, , est introduite pour décrire l’influence d’un aimant sur son environnement. Ce champ est visualisé à l’aide de limaille de fer ou d’une boussole, qui s’oriente selon les lignes de champ. L’unité de champ magnétique est le tesla (T).

8.2. Le champ magnétique terrestre 🌍

La Terre se comporte comme un immense aimant. L’existence du champ magnétique terrestre est démontrée par l’orientation de l’aiguille d’une boussole. Ce champ joue un rôle crucial en protégeant la planète des vents solaires.

Chapitre 9 : Sources du Champ Magnétique

9.1. Champ magnétique créé par les courants (fils, bobines, solénoïdes) 🔌

L’expérience d’Oersted démontre qu’un courant électrique crée un champ magnétique. La forme des lignes de champ est étudiée pour différentes configurations : un fil rectiligne (lignes de champ circulaires), une bobine plate et un solénoïde (champ uniforme à l’intérieur).

9.2. L’électroaimant et ses applications 🏗️

Un électroaimant est un dispositif, typiquement un solénoïde contenant un noyau de fer doux, qui produit un champ magnétique intense uniquement lorsqu’un courant le parcourt. Ses applications sont nombreuses : relais, sonnettes, grues de levage de ferraille.

Chapitre 10 : Forces Électromagnétiques et Applications

10.1. Actions entre courants et aimants (Forces de Laplace) 🖐️

Un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique subit une force, appelée force de Laplace. La direction et le sens de cette force sont donnés par la règle des trois doigts de la main droite. Ce principe est fondamental pour la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique.

10.2. Le moteur à courant continu ⚙️

Le moteur à courant continu est l’application principale de la force de Laplace. Il est constitué d’une bobine (le rotor) placée dans le champ magnétique d’un aimant (le stator). Le passage du courant dans la bobine engendre des forces de Laplace qui créent un couple, provoquant la rotation continue de la bobine.

Chapitre 11 : L’Induction Électromagnétique

11.1. Le phénomène d’induction et la loi de Faraday ⚡

Le phénomène d’induction électromagnétique, découvert par Faraday, est la production d’un courant électrique (courant induit) dans un circuit soumis à une variation de champ magnétique. La tension induite (f.é.m. induite) est d’autant plus grande que la variation du champ est rapide.

11.2. Le générateur à courant continu (dynamo) 💡

Le générateur est l’application directe de l’induction électromagnétique. En faisant tourner une bobine dans un champ magnétique, on fait varier le flux magnétique à travers elle, ce qui induit une tension à ses bornes. Ce principe est à la base de la production industrielle d’électricité dans les centrales, comme celles des barrages d’Inga qui alimentent une grande partie du pays.

ANNEXES

Annexe 1 : Symboles normalisés des composants électriques 🔣

Un tableau visuel présentant les symboles graphiques standards utilisés pour représenter les différents composants dans un schéma de circuit électrique : résistor, générateur, interrupteur, ampèremètre, voltmètre, moteur, etc.

Annexe 2 : Formulaire d’électricité et de magnétisme 📝

Un recueil des formules essentielles étudiées durant le cours : loi de Coulomb, loi d’Ohm, puissance, loi d’Ohm généralisée, lois de Faraday pour l’électrolyse, force de Laplace, etc. Chaque formule est accompagnée d’une description des grandeurs et de leurs unités.

Annexe 3 : Règles de sécurité en électricité ⚠️

Une liste de consignes de sécurité fondamentales à respecter lors de la manipulation de circuits électriques. Cette section insiste sur les dangers du courant électrique pour le corps humain et sur les précautions à prendre pour éviter les accidents (ne pas toucher les fils dénudés, utiliser du matériel en bon état, travailler hors tension si possible).

Annexe 4 : Glossaire des termes clés 📖

Une liste alphabétique des termes techniques importants introduits (Électron, Coulomb, Ampère, Volt, Ohm, Tesla, Induction, etc.), avec une définition claire et concise pour chacun, visant à consolider la maîtrise du vocabulaire spécifique à l’électricité et au magnétisme.