COURS DE PHYSIQUE, 4ÈME ANNÉE, OPTION HUMANITÉS SCIENTIFIQUES
Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC
1. PRÉLIMINAIRES ET NOTE PÉDAGOGIQUE
1.1. Objectifs Généraux et Portée du Cours
Ce manuel de Physique pour la quatrième année des Humanités Scientifiques s’inscrit rigoureusement dans le programme national édicté par le Ministère de l’Enseignement Primaire, Secondaire et Technique (MEPST). Il vise à consolider les acquis de la troisième année et à approfondir la compréhension des lois fondamentales régissant la matière et l’énergie. L’objectif primordial est de doter l’élève d’un esprit scientifique critique, capable de modéliser des phénomènes physiques réels observés en République Démocratique du Congo, allant de la mécanique des transports sur nos routes nationales à la production énergétique des centrales hydroélectriques. Le cours prépare directement aux études supérieures scientifiques et techniques (Polytechnique, Sciences, Médecine).
1.2. Profil d’Entrée et Prérequis
L’élève abordant ce cours doit maîtriser les concepts fondamentaux de la mécanique classique et de l’électricité vus les années précédentes. Il doit faire montre :
- D’une maîtrise des outils mathématiques : trigonométrie, vecteurs, résolution d’équations et notion de dérivée.
- De capacités de manipulation expérimentale : mesure, observation et respect des normes de sécurité.
- De prérequis spécifiques : cinématique de base (MRU), notions de force, travail et énergie, ainsi que les bases de l’électrostatique.
1.3. Compétences Visées et Profil de Sortie
Au terme de cette année, l’élève devra être capable de traiter avec succès des situations complexes relevant de la cinématique, de la dynamique, de l’énergétique, de la thermodynamique, de l’optique ondulatoire et de l’électrocinétique. Il développera des compétences pour :
- Analyser les mouvements et les causes de ces mouvements (Forces).
- Comprendre et calculer les échanges d’énergie dans les systèmes mécaniques et thermiques.
- Interpréter les phénomènes périodiques et ondulatoires.
- Maîtriser les lois du courant alternatif monophasé et leurs applications industrielles.
1.4. Méthodologie et Approche par Situation
L’enseignement privilégie l’approche par les situations. Chaque chapitre s’ouvre sur une problématique concrète ancrée dans le quotidien congolais (transport, industrie minière, électrification rurale) pour susciter le questionnement. Les savoirs essentiels sont ensuite construits pour résoudre cette problématique, suivis d’exercices d’application et d’intégration.
PARTIE 1 : MÉCANIQUE RATIONNELLE ET ÉNERGÉTIQUE 🏗️
Cette première partie constitue le socle de la physique classique. Elle analyse le mouvement des corps, les forces qui les engendrent et les concepts énergétiques associés. L’étude s’étend de la cinématique du point matériel à la dynamique des solides, en passant par l’étude des machines simples et la conservation de la quantité de mouvement. Elle permet de comprendre le fonctionnement des véhicules sur les routes de Kinshasa, la balistique et les mécanismes industriels utilisés dans le Katanga minier.
Chapitre 1 : Cinématique Avancée du Point Matériel
1.1. Éléments de Base et Mouvement Rectiligne Uniforme (MRU)
Cette section revisite et approfondit les concepts de référentiel, de vecteur position et de trajectoire. L’analyse se focalise sur la relativité du mouvement et la définition rigoureuse de la vitesse instantanée comme dérivée de la position par rapport au temps. L’étude du Mouvement Rectiligne Uniforme (MRU) est formalisée par des équations horaires précises . Des applications concrètes sont étudiées, telles que la modélisation du trafic fluvial constant des barges sur le fleuve Congo entre Kinshasa et Kisangani, permettant de prédire les temps de parcours et les points de croisement.
1.2. Mouvement Rectiligne Uniformément Varié (MRUV)
L’étude s’étend aux mouvements avec accélération constante. Les lois de la vitesse et de la position sont établies et démontrées graphiquement. L’élève apprend à interpréter les diagrammes de vitesse et d’accélération. Les exemples incluent l’analyse des phases de démarrage et de freinage des locomotives de la SNCC sur l’axe Lubumbashi-Mwene-Ditu, calculant les distances d’arrêt nécessaires pour la sécurité ferroviaire.
1.3. La Chute Libre et les Caractères de la Pesanteur
Ce sous-chapitre traite du mouvement vertical sous la seule influence de la gravité, négligeant la résistance de l’air. Les lois de la chute libre sont dérivées du MRUV avec . Une attention particulière est portée aux variations de l’accélération de la pesanteur en fonction de la latitude et de l’altitude en RDC (différence entre Moanda au niveau de la mer et le mont Ruwenzori). Les équations de Torricelli sont appliquées pour déterminer les vitesses d’impact.
1.4. Cinématique des Mouvements Circulaires
L’analyse quitte la ligne droite pour aborder les trajectoires circulaires. On définit les grandeurs angulaires : abscisse angulaire , vitesse angulaire et accélération angulaire . Le Mouvement Circulaire Uniforme (MCU) et le Mouvement Circulaire Uniformément Varié (MCUV) sont modélisés. Les relations entre grandeurs linéaires et angulaires (, , ) sont établies. L’étude des centrifugeuses dans les laboratoires médicaux de Goma sert d’illustration pratique pour le calcul des fréquences et périodes de rotation.
Chapitre 2 : Dynamique du Point et du Solide
2.1. Les Principes Fondamentaux de la Dynamique (Newton)
Ce module expose les trois lois de Newton qui fondent la mécanique classique. Le principe d’inertie, le principe fondamental de la dynamique () et le principe des actions réciproques sont analysés en profondeur. L’application de ces lois permet de résoudre des problèmes de statique et de dynamique. On étudiera par exemple les forces s’exerçant sur un grumier transportant du bois dans la province de la Tshopo, en analysant l’équilibre des charges et les forces de réaction du sol.
2.2. La Balistique et le Mouvement des Projectiles
La balistique combine les mouvements rectilignes uniformes (horizontal) et uniformément variés (vertical). L’élève apprend à décomposer le vecteur vitesse initiale, à établir les équations paramétriques et l’équation de la trajectoire parabolique. Les concepts de portée maximale, de flèche et de parabole de sûreté sont calculés. Des applications théoriques sont faites sur les jets d’eau des systèmes d’irrigation dans les plantations de canne à sucre de Kwilu-Ngongo.
2.3. Dynamique du Mouvement Circulaire
L’application de la deuxième loi de Newton aux mouvements circulaires introduit les notions de force centripète et de force centrifuge (force d’inertie). L’étude se focalise sur la nécessité d’une force radiale pour maintenir une trajectoire courbe. Les calculs de dévers (inclinaison) des routes dans les virages serrés, comme ceux de la route de Matadi (Nationale 1) dans la zone de Mvuzi, sont effectués pour déterminer les vitesses limites de sécurité des véhicules lourds.
2.4. La Gravitation Universelle et le Poids
Ce point élargit la dynamique à l’échelle cosmique et planétaire. La loi de l’attraction universelle de Newton est énoncée et mise en relation avec le poids d’un corps (). On distingue rigoureusement la masse (invariante) du poids (variable). L’étude couvre le calcul de la masse de la Terre, la variation de avec l’altitude et les conditions d’apesanteur, illustrées par le mouvement des satellites de télécommunication couvrant le territoire congolais.
Chapitre 3 : Forces de Contact et Machines Simples
3.1. Les Forces de Frottement
Les interactions de contact sont analysées à travers les forces de frottement statique et cinétique. Les lois de Coulomb sur le frottement sec sont expliquées, distinguant les coefficients de frottement de glissement et d’adhérence. L’importance du frottement est discutée, tant comme nuisance (usure des pièces mécaniques à l’usine de traitement de Lubumbashi) que comme nécessité (adhérence des pneus sur les pistes d’atterrissage de N’djili).
3.2. Le Plan Incliné et le Mouvement des Sphères
L’étude dynamique des corps sur un plan incliné permet d’appliquer la décomposition des forces (Poids, Réaction normale, Frottement). On analyse l’accélération d’un solide glissant et le cas particulier du roulement sans glissement d’une sphère ou d’un cylindre. Ces concepts sont appliqués à l’analyse des rampes d’accès pour les personnes à mobilité réduite dans les édifices publics ou les plans inclinés utilisés dans les carrières artisanales pour remonter les matériaux.
3.3. La Résistance des Fluides et la Vitesse Limite
Lorsqu’un corps se déplace dans un fluide (air, eau), il subit une force de traînée. Ce sous-chapitre étudie la dépendance de cette force à la vitesse (en ou ) et introduit le concept de vitesse limite de chute. L’aérodynamisme des véhicules et la chute des parachutistes des FARDC à la base de Kitona servent d’exemples pour comprendre l’équilibre entre le poids et la résistance de l’air.
3.4. Systèmes Mécaniques : Ascenseurs et Tensions
L’application de la dynamique aux systèmes liés par des câbles est abordée ici. On étudie le mouvement des ascenseurs, calculant les variations de tension dans les câbles et le poids apparent des passagers lors des phases d’accélération et de décélération. Les principes sont étendus aux systèmes de levage dans les puits de mine profonds du Haut-Katanga, intégrant les contraintes de sécurité.
Chapitre 4 : Travail, Énergie et Impulsion
4.1. Travail, Puissance et Énergie Mécanique
Les concepts scalaires de travail d’une force et de puissance (moyenne et instantanée) sont définis. Le théorème de l’énergie cinétique est démontré. On introduit l’énergie potentielle (gravitationnelle et élastique) et le principe de conservation de l’énergie mécanique pour les systèmes conservatifs. Ces notions sont appliquées au calcul du rendement des turbines du barrage d’Inga, transformant l’énergie potentielle de l’eau du fleuve Congo en travail électrique.
4.2. Quantité de Mouvement et Chocs
La quantité de mouvement (vecteur ) et son théorème de conservation sont étudiés pour les systèmes isolés. L’analyse couvre les chocs élastiques et inélastiques, ainsi que les phénomènes de recul (armes à feu, propulsion par réaction). Des exemples sont tirés de la navigation sur le lac Kivu, expliquant la propulsion des embarcations et les manœuvres d’accostage.
4.3. Moment Cinétique et Dynamique de Rotation
Pour les solides en rotation, on introduit le moment d’inertie et le moment cinétique . Le théorème du moment cinétique (analogue rotatif de la loi de Newton) est appliqué. On étudie la conservation du moment cinétique, expliquant par exemple comment un patineur ou un plongeur modifie sa vitesse de rotation en changeant sa géométrie corporelle.
4.4. Applications : Le Volant d’Inertie et le Marteau
Ce sous-chapitre applique les concepts énergétiques à des dispositifs spécifiques. Le volant d’inertie est analysé comme un régulateur de mouvement et un accumulateur d’énergie cinétique de rotation, essentiel dans les groupes électrogènes utilisés à travers le pays. Le marteau (ou mouton de battage) est étudié sous l’angle de la transformation de l’énergie potentielle en travail de déformation lors de l’enfoncement de pieux pour les fondations des ponts.
PARTIE 2 : THERMODYNAMIQUE ET PHÉNOMÈNES PÉRIODIQUES 🔥
Cette partie traite des échanges d’énergie thermique et des mouvements répétitifs. Elle pose les bases de la thermodynamique nécessaires à la compréhension des moteurs thermiques, vitaux pour le transport et la production d’énergie autonome. Ensuite, elle explore la physique des oscillations, du simple ressort aux systèmes complexes, préparant le terrain pour l’étude des ondes.
Chapitre 5 : Thermodynamique et Machines Thermiques
5.1. Les Principes de la Thermodynamique
Les fondements de la thermodynamique sont établis : le principe Zéro (équilibre thermique), le Premier Principe (conservation de l’énergie, équivalence travail-chaleur) et le Second Principe (entropie, irréversibilité, énoncés de Clausius et Kelvin). On définit les transformations thermodynamiques (isotherme, isochore, isobare, adiabatique) et on calcule le travail et la chaleur échangés.
5.2. Cycles Thermodynamiques et Rendement
L’étude des cycles théoriques, notamment le cycle de Carnot, permet de définir le rendement maximal d’une machine thermique. On analyse les diagrammes P-V (Clapeyron) pour visualiser les échanges énergétiques. La notion de rendement est cruciale pour comprendre les limites de l’efficacité énergétique dans les processus industriels de transformation des matières premières agricoles ou minières.
5.3. Le Moteur à Combustion Interne à Quatre Temps
Le fonctionnement détaillé du moteur à explosion (cycle de Beau de Rochas/Otto) et du moteur Diesel est présenté. On décompose les quatre temps : admission, compression, explosion-détente et échappement. Les calculs de cylindrée, de taux de compression et de puissance fiscale sont effectués, en lien avec le parc automobile et les groupes électrogènes omniprésents en RDC.
5.4. Le Moteur à Deux Temps et Comparaisons
Le cycle du moteur à deux temps est analysé, mettant en évidence ses avantages (puissance massique) et ses inconvénients (consommation, pollution). Une comparaison technique et écologique est dressée entre les moteurs 2 temps (motos-taxis « Wewa », hors-bords sur le fleuve) et 4 temps, soulignant les enjeux de maintenance et d’impact environnemental.
Chapitre 6 : Oscillateurs Harmoniques Simples
6.1. Cinématique et Dynamique de l’Oscillateur Harmonique (OHS)
On définit l’oscillateur harmonique simple comme un système décrit par une équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants. L’équation horaire est établie. On analyse les grandeurs caractéristiques : amplitude, pulsation, période, fréquence et phase. La vitesse et l’accélération sont dérivées et représentées graphiquement.
6.2. Le Pendule Élastique (Ressort)
Le système masse-ressort (horizontal et vertical) sert de modèle type pour l’OHS. On établit la période et on étudie les échanges entre énergie cinétique et énergie potentielle élastique. L’application concerne les systèmes de suspension des véhicules et les dynamomètres utilisés dans les laboratoires et marchés.
6.3. Le Pendule Simple
L’étude du pendule simple se fait dans l’approximation des petites oscillations. On démontre la formule de la période et son isochronisme. On analyse l’influence de la longueur et de la gravité sur la période. Le pendule est présenté comme un outil historique de mesure du temps et de la gravité.
6.4. Le Pendule Pesant Composé
On généralise l’étude aux solides oscillant autour d’un axe ne passant pas par leur centre de gravité. La période est exprimée en fonction du moment d’inertie et de la distance du centre de gravité à l’axe. Cette étude permet de comprendre le fonctionnement des balanciers d’horloges et le mouvement des pièces mécaniques oscillantes dans les machines industrielles.
Chapitre 7 : Oscillateurs Complexes et Couplés
7.1. Le Pendule de Torsion
Ce système met en jeu un couple de rappel élastique proportionnel à l’angle de torsion. La période est établie en fonction du moment d’inertie et de la constante de torsion du fil. L’application principale réside dans les balances de torsion (expérience de Cavendish) et les galvanomètres à cadre mobile utilisés dans les instruments de mesure électrique sensibles.
7.2. Le Pendule Conique
L’analyse dynamique d’une masse décrivant un cercle horizontal suspendue à un fil est réalisée. On détermine la relation entre la vitesse angulaire, la longueur du fil et l’angle d’écartement. Ce modèle explique le principe du régulateur à boules de Watt, ancêtre des systèmes de régulation de vitesse dans les machines à vapeur et turbines.
7.3. Le Pendule Magnétique
On étudie l’oscillation d’un barreau aimanté (boussole) placé dans un champ magnétique uniforme. Le couple de rappel est d’origine magnétique. La période d’oscillation permet de mesurer l’intensité de la composante horizontale du champ magnétique terrestre, une compétence utile pour la géophysique et la prospection minière au Katanga.
7.4. Phénomènes de Résonance et Amortissement
Bien que le programme se focalise sur les oscillateurs idéaux, une introduction qualitative aux oscillations amorties (frottements) et forcées est nécessaire. On explique le phénomène de résonance (transfert maximal d’énergie) et ses conséquences, parfois destructrices (ponts, bâtiments sous séisme) ou utiles (récepteurs radio, circuits d’accord).
PARTIE 3 : ONDES, ACOUSTIQUE ET ÉLECTRICITÉ 📡
La dernière partie explore la propagation de l’énergie sans transport de matière et les applications avancées de l’électricité. Elle couvre les ondes mécaniques et électromagnétiques, fondements des télécommunications modernes, l’acoustique pour comprendre l’environnement sonore, et le courant alternatif, pilier de la distribution électrique nationale par la SNEL.
Chapitre 8 : Phénomènes Ondulatoires
8.1. Généralités sur les Ondes et Équation d’Onde
On définit l’onde, la célérité, la longueur d’onde, la période et la fréquence. La distinction entre ondes transversales et longitudinales est établie. L’équation de propagation d’une onde sinusoïdale est présentée. On prend pour exemple les ondes à la surface du lac Tanganyika ou les ondes sismiques surveillées par l’Observatoire Volcanologique de Goma (OVG).
8.2. Composition de Mouvements Vibratoires
L’utilisation des vecteurs de Fresnel permet d’analyser la superposition de deux vibrations de même fréquence. On étudie les cas particuliers de vibrations en phase (constructives), en opposition de phase (destructives) et en quadrature. Ces concepts sont fondamentaux pour comprendre les phénomènes d’interférence.
8.3. Interférences Mécaniques et Lumineuses
On analyse le phénomène d’interférence résultant de la superposition d’ondes issues de sources cohérentes. L’expérience des fentes de Young est détaillée pour la lumière, introduisant la notion d’interfrange. On explique les conditions d’obtention de franges brillantes et sombres, avec des applications en optique et métrologie.
8.4. Ondes Stationnaires et Vibration des Cordes
La superposition d’une onde incidente et de son onde réfléchie crée un système d’ondes stationnaires caractérisé par des nœuds et des ventres. L’étude des cordes vibrantes (lois de Melde) permet de comprendre la physique des instruments de musique traditionnels congolais (pluriarc, lokole) et modernes.
Chapitre 9 : Acoustique Physique et Physiologique
9.1. Nature et Propagation du Son
Le son est défini comme une onde mécanique longitudinale nécessitant un milieu matériel. On étudie la vitesse du son dans différents milieux (air, eau, acier) et les facteurs qui l’influencent. La distinction entre son pur, son complexe et bruit est faite, en lien avec la pollution sonore urbaine à Kinshasa.
9.2. Qualités Physiologiques du Son
On relie les grandeurs physiques (fréquence, amplitude, spectre) aux sensations auditives (hauteur, intensité, timbre). L’intensité sonore et le niveau sonore en décibels (dB) sont définis. Les seuils d’audibilité et de douleur sont précisés, sensibilisant les élèves aux risques auditifs liés à l’exposition aux bruits forts.
9.3. L’Effet Doppler-Fizeau
L’étude de la variation de la fréquence perçue lorsque la source sonore et l’observateur sont en mouvement relatif. Les formules de décalage de fréquence sont établies pour les cas d’approche et d’éloignement. Des applications pratiques sont citées : radars routiers, échographie médicale (Doppler sanguin) et astrophysique (éloignement des galaxies).
9.4. Les Ondes Électromagnétiques et le Spectre
On présente la nature électromagnétique de la lumière et des ondes radio. Le spectre électromagnétique est détaillé, des ondes radio aux rayons gamma, en passant par le visible, l’UV et l’infrarouge. On souligne l’importance de ces ondes pour les télécommunications (réseaux cellulaires en RDC), la médecine (radiographie) et la télédétection.
Chapitre 10 : Courant Alternatif et Électrotechnique
10.1. Production et Caractéristiques du Courant Alternatif
On explique le principe de l’alternateur et la production d’une tension sinusoïdale. Les notions de valeur maximale, valeur efficace, fréquence et pulsation sont définies. On justifie l’usage du courant alternatif pour le transport de l’énergie électrique sur de longues distances, comme la ligne Inga-Shaba (Katanga).
10.2. Les Dipôles en Courant Alternatif (R, L, C)
L’étude du comportement des résistances, bobines (inductances) et condensateurs en régime alternatif est menée. On introduit les concepts de réactance inductive et capacitive, ainsi que le déphasage courant-tension propre à chaque dipôle (courant en phase, en retard ou en avance). La représentation vectorielle de Fresnel est utilisée.
10.3. Le Circuit RLC Série et l’Impédance
L’analyse du circuit RLC série permet de définir l’impédance globale du circuit et la loi d’Ohm généralisée (). On étudie le phénomène de résonance électrique (intensité maximale) et ses applications dans les circuits d’accord des récepteurs radio et télévision. Le calcul du facteur de puissance () est abordé.
10.4. Puissance Électrique et Transformateurs
On distingue les puissances active, réactive et apparente en régime alternatif. Le principe, la constitution et le rapport de transformation du transformateur sont détaillés. On insiste sur son rôle crucial dans l’élévation de la tension pour le transport (lignes HT de la SNEL) et son abaissement pour la distribution domestique, ainsi que sur le calcul de son rendement.
ANNEXES
A. Constantes Physiques et Unités
- Tableau récapitulatif des unités du Système International (SI) utilisées en mécanique, thermodynamique et électricité.
- Valeurs des constantes universelles (G, c, etc.) et locales (g moyen en RDC).
- Facteurs de conversion usuels.
B. Outils Mathématiques pour la Physique
- Rappel sur les dérivées des fonctions usuelles (polynômes, sinus, cosinus).
- Formulaire de trigonométrie (additions d’arcs, linéarisation).
- Opérations sur les vecteurs (produit scalaire, produit vectoriel, projection).
C. Protocoles de Laboratoire et Sécurité
- Fiches guides pour les manipulations essentielles : mesure de g par pendule, vérification de la loi d’Ohm, étude des lentilles et des interférences.
- Règles de sécurité électrique et consignes pour l’utilisation du matériel de laboratoire en verre et des appareils de mesure.
D. Bibliographie et Webographie Sélective
- Liste des manuels de référence conformes au programme national.
- Sites web recommandés pour des simulations physiques (PhET, etc.) accessibles aux élèves congolais pour approfondir les concepts visuellement.