COURS DE PHYSIQUE, 2ÈME ANNÉE DES HUMANITÉS SCIENTIFIQUES

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

PRÉLIMINAIRES

I. Présentation du cours 📜

Ce cours de physique de deuxième année aborde les domaines de l’électromagnétisme, de l’optique physique et de la physique moderne. S’appuyant sur les fondements de la mécanique, le programme est conçu pour développer une compréhension approfondie des interactions fondamentales qui régissent l’univers à des échelles variées. Il vise à fournir aux élèves les outils conceptuels et mathématiques pour analyser les phénomènes électriques, magnétiques et ondulatoires, et pour s’initier aux révolutions scientifiques du XXe siècle.

II. Objectifs généraux 🎯

L’objectif principal est de permettre à l’élève de maîtriser les lois de l’électromagnétisme et de comprendre la nature ondulatoire de la lumière. Au terme de ce cours, il devra être capable d’analyser des circuits en courant continu et alternatif, d’expliquer les phénomènes d’induction, d’interférence et de diffraction, et de saisir les concepts de base de la relativité restreinte et de la mécanique quantique.

III. Compétences visées 🧠

Ce programme vise à forger des compétences d’analyse et de modélisation de phénomènes physiques complexes. L’élève apprendra à appliquer la loi de Coulomb et la loi d’Ohm, à analyser un circuit RLC, à interpréter des figures d’interférence, et à résoudre des problèmes impliquant les concepts de la relativité. Ces compétences préparent aux études supérieures en sciences et en ingénierie, des domaines clés pour le développement de la RDC.

IV. Méthode d’évaluation 📝

L’évaluation sera continue et axée sur la résolution de problèmes théoriques et expérimentaux. Elle comprendra des interrogations sur les lois et définitions, des travaux pratiques sur les circuits électriques, et des examens semestriels. Ces derniers intégreront des situations-problèmes, comme l’étude du fonctionnement d’un transformateur de la Société Nationale d’Électricité (SNEL) ou l’analyse d’un réseau de diffraction pour la spectroscopie.

V. Matériel requis 🔬

La réussite dans ce cours exige l’accès à un laboratoire de physique bien équipé. Le matériel essentiel inclut des sources de tension continue et alternative, des multimètres, des oscilloscopes, des composants de circuits (résistances, condensateurs, bobines), ainsi que des bancs d’optique avec des sources lumineuses, des fentes, des réseaux et des polariseurs.

PREMIÈRE PARTIE : CHAMPS ÉLECTRIQUES ET MAGNÉTIQUES

Cette partie explore les interactions électriques et magnétiques à l’origine de nombreux phénomènes physiques. Elle développe les lois fondamentales de l’électrostatique, de l’électrocinétique et du magnétisme, ainsi que leurs applications pratiques, établissant les bases nécessaires à la compréhension des interactions électromagnétiques. ⚡

CHAPITRE 1 : ÉLECTROSTATIQUE DES CHARGES PONCTUELLES

Ce chapitre étudie les interactions entre des charges électriques au repos.

1.1 Loi de Coulomb

La loi de Coulomb est présentée comme la loi quantitative fondamentale qui décrit la force d’interaction entre deux charges électriques ponctuelles. Son expression vectorielle et sa dépendance en l’inverse du carré de la distance sont analysées.

1.2 Champ électrique et lignes de champ

Le concept de champ électrique est introduit comme une propriété de l’espace modifiée par la présence d’une charge. Les lignes de champ sont utilisées comme un outil de visualisation de la direction et de l’intensité du champ.

1.3 Potentiel électrique

Le potentiel électrique est défini comme l’énergie potentielle électrique par unité de charge. La différence de potentiel (tension) est présentée comme le moteur du mouvement des charges.

1.4 Énergie potentielle électrique

L’énergie potentielle stockée dans un système de charges est étudiée. Le travail de la force électrostatique est relié à la variation de cette énergie potentielle.

CHAPITRE 2 : DISTRIBUTIONS CONTINUES DE CHARGE

Ce chapitre généralise les concepts de champ et de potentiel à des distributions de charges étendues.

2.1 Champ et potentiel d’une distribution linéique

La méthode de calcul du champ et du potentiel créés par une distribution de charges sur un fil est développée, en utilisant le principe de superposition et le calcul intégral.

2.2 Distribution surfacique et volumique

Les concepts de densité de charge surfacique (σ) et volumique (ρ) sont introduits pour décrire la répartition des charges sur des surfaces et dans des volumes.

2.3 Méthodes de calcul par intégrales

Le calcul direct du champ et du potentiel par intégration sur la distribution de charge est systématisé pour des géométries simples.

2.4 Applications symétriques

Le théorème de Gauss est introduit comme une méthode puissante et élégante pour calculer le champ électrique dans des situations de haute symétrie (sphère, cylindre, plan infini).

CHAPITRE 3 : CONDENSATEURS ET CAPACITÉ

Ce chapitre se concentre sur les composants capables de stocker de la charge et de l’énergie électrique.

3.1 Définition et types de condensateurs

Un condensateur est défini comme un système de deux conducteurs en influence. Les différents types (plan, cylindrique, sphérique) sont étudiés.

3.2 Capacité et énergie stockée

La capacité (C) d’un condensateur est définie comme sa capacité à stocker de la charge sous une certaine tension. L’énergie électrostatique emmagasinée dans le condensateur est calculée.

3.3 Association de condensateurs

Les règles pour calculer la capacité équivalente d’une association de condensateurs en série et en parallèle sont établies.

3.4 Influence du milieu diélectrique

L’introduction d’un matériau isolant (diélectrique) entre les armatures d’un condensateur augmente sa capacité. La notion de permittivité diélectrique est introduite.

CHAPITRE 4 : LOIS DE L’ÉLECTROCINÉTIQUE

Ce chapitre étudie le mouvement des charges électriques dans les circuits : le courant électrique.

4.1 Loi d’Ohm et résistivité

La loi d’Ohm () est présentée comme la relation fondamentale pour les conducteurs ohmiques. La résistivité (ρ) est introduite comme une propriété intrinsèque du matériau.

4.2 Circuits en courant continu

Les lois de Kirchhoff (loi des nœuds et loi des mailles) sont établies comme les outils fondamentaux pour l’analyse des circuits électriques complexes.

4.3 Association de résistances

Les règles pour calculer la résistance équivalente d’une association de résistances en série et en parallèle sont démontrées et appliquées.

4.4 Puissance électrique

La puissance dissipée par effet Joule dans une résistance () est calculée. Ce concept est essentiel pour comprendre la consommation d’énergie des appareils électriques utilisés quotidiennement à Kinshasa ou ailleurs.

DEUXIÈME PARTIE : INDUCTION ET COURANTS VARIABLES

Cette partie aborde les phénomènes d’induction électromagnétique et les circuits en courant alternatif. Elle développe les lois de Faraday et de Lenz, la notion d’inductance, et les caractéristiques des signaux alternatifs, préparant les élèves à l’étude des appareils et des réseaux électriques. 🔄

CHAPITRE 5 : INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Ce chapitre explore la production d’un courant électrique par un champ magnétique variable.

5.1 Loi de Faraday–Lenz

La loi de Faraday stipule qu’une variation du flux magnétique à travers un circuit induit une force électromotrice. La loi de Lenz précise que le courant induit s’oppose à la cause qui lui a donné naissance.

5.2 Force électromotrice induite

Le calcul de la force électromotrice (f.é.m.) induite est détaillé. Ce principe est à la base du fonctionnement des générateurs électriques et des alternateurs des barrages d’Inga.

5.3 Auto-induction et inductance

Le phénomène d’auto-induction (un circuit induit une f.é.m. en lui-même lorsque son propre courant varie) est étudié. L’inductance (L) d’une bobine est définie comme sa capacité à s’opposer aux variations de courant.

5.4 Énergie magnétique

L’énergie emmagasinée dans le champ magnétique d’une bobine parcourue par un courant est calculée, montrant que les bobines stockent de l’énergie magnétique.

CHAPITRE 6 : CIRCUITS À COURANT ALTERNATIF

Ce chapitre se concentre sur l’étude des circuits alimentés par des tensions qui varient sinusoïdalement dans le temps.

6.1 Grandeurs sinusoïdales

Les caractéristiques d’un signal sinusoïdal (amplitude, pulsation, phase) sont définies. Les notions de valeur efficace et de valeur moyenne sont introduites.

6.2 Impédance et réactance

L’impédance (Z) est la généralisation de la résistance pour les circuits en courant alternatif. Elle prend en compte l’opposition au courant due aux résistances, mais aussi aux bobines (réactance inductive) et aux condensateurs (réactance capacitive).

6.3 Facteur de puissance

Le facteur de puissance (cos φ) mesure l’efficacité avec laquelle un circuit utilise la puissance fournie par la source. Un facteur proche de 1 est souhaitable pour optimiser la distribution d’énergie.

6.4 Diagrammes de Fresnel

La représentation de Fresnel (ou diagramme des phaseurs) est introduite comme un outil vectoriel puissant pour analyser les circuits en régime sinusoïdal et visualiser les déphasages entre tension et courant.

CHAPITRE 7 : RÉSONANCE ÉLECTRIQUE

Ce chapitre étudie le phénomène de résonance dans les circuits contenant des résistances, des bobines et des condensateurs.

7.1 Circuit RLC série

L’analyse du circuit RLC série est menée. La fréquence de résonance, pour laquelle l’impédance du circuit est minimale et le courant maximal, est déterminée.

7.2 Bande passante et qualité

La bande passante et le facteur de qualité (Q) sont définis pour caractériser la sélectivité d’un circuit résonant. Un facteur Q élevé correspond à une résonance aiguë.

7.3 Résonance en parallèle

Le phénomène de résonance dans un circuit RLC parallèle (ou circuit bouchon) est également étudié, où l’impédance est maximale à la résonance.

7.4 Applications radiofréquences

La résonance est présentée comme le principe fondamental des circuits d’accord en radio, permettant de sélectionner une fréquence d’émission ou de réception parmi une multitude d’autres.

CHAPITRE 8 : TRANSFORMATEURS ET TRANSMISSION

Ce chapitre se concentre sur le dispositif clé de la distribution de l’énergie électrique.

8.1 Principe de fonctionnement

Le transformateur est basé sur le principe de l’induction mutuelle entre deux bobines couplées magnétiquement. Il permet de modifier les valeurs de la tension et du courant alternatifs.

8.2 Rapport de transformation

Le rapport entre les tensions et les courants au primaire et au secondaire est lié au rapport du nombre de spires des enroulements.

8.3 Pertes et rendement

Les différentes sources de pertes dans un transformateur (pertes Joule, pertes fer) sont analysées. Le rendement est défini comme le rapport de la puissance de sortie à la puissance d’entrée.

8.4 Transport d’énergie électrique

L’utilisation de transformateurs élévateurs à la sortie des centrales (comme celles du site d’Inga) et abaisseurs près des zones de consommation est expliquée comme la stratégie permettant de minimiser les pertes par effet Joule lors du transport de l’électricité sur de longues distances.

TROISIÈME PARTIE : OPTIQUE PHYSIQUE

Cette partie examine la nature ondulatoire de la lumière et les phénomènes optiques associés. Elle couvre la diffraction, l’interférence, la polarisation et les propriétés des ondes lumineuses, permettant aux élèves de comprendre les principes de l’optique cohérente et leurs applications technologiques. 🌈

CHAPITRE 9 : INTERFÉRENCES

Ce chapitre étudie les phénomènes résultant de la superposition de plusieurs ondes lumineuses.

9.1 Principe et conditions d’interférence

Le principe de superposition est énoncé. Les conditions pour observer des interférences stables (sources cohérentes et monochromatiques) sont précisées.

9.2 Fentes de Young et franges

L’expérience historique des fentes de Young est analysée comme la preuve irréfutable de la nature ondulatoire de la lumière. La formation de franges d’interférence brillantes et sombres est expliquée.

9.3 Interféromètres

Des dispositifs plus sophistiqués comme l’interféromètre de Michelson sont présentés, permettant de produire des interférences avec une grande précision.

9.4 Applications métrologiques

Les interférences sont à la base de techniques de mesure extrêmement précises, utilisées par exemple pour contrôler la planéité de surfaces optiques ou pour définir l’étalon du mètre.

CHAPITRE 10 : DIFFRACTION

Ce chapitre explore le comportement de la lumière lorsqu’elle rencontre un obstacle ou une ouverture de petite taille.

10.1 Diffraction par une ouverture simple

La diffraction est décrite comme l’étalement des ondes lumineuses après avoir traversé une fente ou contourné un obstacle. La figure de diffraction d’une fente simple est analysée.

10.2 Réseau de diffraction

Un réseau de diffraction, constitué d’un grand nombre de fentes parallèles, est présenté comme un dispositif permettant de séparer la lumière en ses différentes couleurs (longueurs d’onde).

10.3 Critère de Rayleigh

Le critère de Rayleigh est introduit pour définir la limite de résolution d’un instrument d’optique (comme un télescope ou un microscope), qui est fondamentalement limitée par la diffraction.

10.4 Applications spectroscopiques

La capacité des réseaux de diffraction à décomposer la lumière est à la base de la spectroscopie, une technique d’analyse chimique puissante utilisée notamment en minéralogie pour identifier les éléments présents dans un échantillon de roche du Kasaï.

CHAPITRE 11 : POLARISATION DE LA LUMIÈRE

Ce chapitre étudie l’orientation des vibrations de l’onde lumineuse.

11.1 Polariseurs et analyseurs

La lumière naturelle est non polarisée. Un polariseur est un filtre qui ne laisse passer que les vibrations lumineuses orientées dans une direction particulière. Un analyseur permet de vérifier l’état de polarisation.

11.2 Polarisation par réflexion

La réflexion de la lumière sur une surface diélectrique (comme la surface de l’eau du lac Kivu) produit une lumière partiellement ou totalement polarisée. Ce principe est utilisé dans les lunettes de soleil polarisantes.

11.3 Polarisation circulaire et elliptique

D’autres états de polarisation plus complexes sont introduits, où le vecteur champ électrique décrit un cercle ou une ellipse au cours du temps.

11.4 Applications en optique

Les applications de la polarisation sont nombreuses : écrans à cristaux liquides (LCD), microscopie en lumière polarisée pour l’étude des minéraux, et analyse des contraintes dans les matériaux.

CHAPITRE 12 : OPTIQUE HOLOGRAPHIQUE

Ce chapitre offre une introduction à la technique de l’holographie, qui permet d’enregistrer et de restituer une image en trois dimensions.

12.1 Principe de l’holographie

L’holographie est basée sur l’enregistrement non seulement de l’intensité de la lumière (comme en photographie), mais aussi de sa phase, en utilisant les interférences entre un faisceau objet et un faisceau de référence.

12.2 Enregistrement et reconstruction

Le processus d’enregistrement de l’hologramme sur une plaque photographique et le processus de reconstruction de l’image tridimensionnelle en éclairant l’hologramme avec un laser sont décrits.

12.3 Types d’hologrammes

Différents types d’hologrammes, comme les hologrammes par transmission et par réflexion, sont présentés.

12.4 Applications et perspectives

Les applications de l’holographie dans le stockage de données, la sécurité (hologrammes anti-contrefaçon) et l’imagerie médicale sont discutées.

QUATRIÈME PARTIE : PHYSIQUE MODERNE

Cette partie introduit les concepts de la physique moderne à la frontière de la mécanique classique. Elle développe la relativité restreinte, la dualité onde–particule et les bases de la mécanique quantique, préparant les élèves aux notions fondamentales de la physique contemporaine. ⚛️

CHAPITRE 13 : RELATIVITÉ RESTREINTE

Ce chapitre explore la théorie d’Einstein qui a révolutionné notre compréhension de l’espace et du temps.

13.1 Postulats d’Einstein

Les deux postulats de la relativité restreinte sont énoncés : le principe de relativité et l’invariance de la vitesse de la lumière dans le vide.

13.2 Dilatation du temps et contraction des longueurs

Les conséquences cinématiques surprenantes des postulats sont étudiées : le temps s’écoule plus lentement et les longueurs se contractent pour un objet en mouvement à une vitesse proche de celle de la lumière.

13.3 Transformation de Lorentz

Les transformations de Lorentz sont présentées comme les nouvelles règles de changement de référentiel qui remplacent les transformations de Galilée à haute vitesse.

13.4 Équivalence masse–énergie

La célèbre relation  est introduite comme une conséquence de la relativité, établissant une équivalence fondamentale entre la masse et l’énergie.

CHAPITRE 14 : PRINCIPES DE LA MÉCANIQUE QUANTIQUE

Ce chapitre offre une première incursion dans le monde de l’infiniment petit, régi par les lois de la mécanique quantique.

14.1 Dualité onde–particule

Le concept de dualité onde-particule est présenté : la lumière et la matière (comme les électrons) présentent à la fois des propriétés ondulatoires et corpusculaires.

14.2 Quantification de l’énergie

L’énergie des systèmes atomiques est quantifiée, c’est-à-dire qu’elle ne peut prendre que des valeurs discrètes. L’hypothèse des quanta de Planck est introduite.

14.3 Principe d’incertitude

Le principe d’incertitude de Heisenberg est énoncé : il est impossible de connaître simultanément avec une précision infinie la position et la quantité de mouvement d’une particule.

14.4 Modèle de Bohr de l’atome

Le modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène est étudié comme une première application réussie des principes de la quantification de l’énergie pour expliquer les spectres atomiques.

ANNEXES

Annexe I : Constantes et formules fondamentales 📝

Cette annexe regroupe les valeurs numériques des constantes physiques universelles (vitesse de la lumière, charge de l’électron, etc.) et un formulaire complet des lois et équations clés de l’électromagnétisme, de l’optique et de la physique moderne.

Annexe II : Tableaux d’impédances et caractéristiques optiques 📊

Des tableaux de référence sont fournis, résumant les expressions des impédances des composants de circuits en régime sinusoïdal, ainsi que les indices de réfraction de divers matériaux optiques.

Annexe III : Chronologie des découvertes en physique moderne 🕰️

Une frise chronologique présente les découvertes et les personnalités majeures qui ont marqué le développement de la physique au XXe siècle, de la relativité à la mécanique quantique.