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■ La philosophie tout simplement, Claude-Henry du Bord

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Frédéric Borel

Comprendre la physique : QCM illustré

« En partenariat avec le CNL »

Éditions Eyrolles
61, Bd Saint-Germain
75240 Paris Cedex 05
www.editions-eyrolles.com

Mise en pages: Istria

En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans autorisation de l'éditeur ou du Centre Français d'Exploitation du Droit de Copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris.
© Groupe Eyrolles, 2007
ISBN 978-2-212-53850-2

Introduction

Tel Monsieur Jourdain qui faisait de la prose sans le savoir, nous faisons de la physique sans en avoir conscience. Chaque jour, des phénomènes physiques ont lieu sous nos yeux sans que nous leur accordions la moindre attention tant ils nous sont devenus familiers. Faire bouillir de l'eau, allumer un radiateur électrique, laisser tomber un objet ou encore prendre une photo, autant d'actions qui nous semblent simples et anodines et qui font pourtant appel à des principes physiques fondamentaux: les changements d'état de la matière, la gravité, l'effet Joule, etc.

Dans cet ouvrage, nous avons tenté de rendre accessibles tous ces termes barbares qui font souvent de la physique une discipline mal-aimée (bien à tort, évidemment !). Vous y trouverez donc un questionnaire à choix multiples dans lequel les notions sont abordées par le biais d'exemples concrets. Chaque réponse est complétée par des précisions historiques.

Par souci de clarté, l'ouvrage est découpé en 7 chapitres qui recouvrent les grands domaines des sciences physiques: astronomie, électromagnétisme, mécanique, optique, thermodynamique, structure de la matière et chimie.

Nous espérons que ce livre, qui s'adresse à toute la famille, vous permettra d'approfondir et d'élargir vos connaissances dans ces divers domaines tout en passant un agréable moment.

Pour commencer

Question A

Pourquoi les mois font une trentaine de jours ?

Réponse

Cela correspond au cycle lunaire, c'est-à-dire au temps mis par la Lune pour faire un tour autour de la Terre. Celui-ci est d'environ 28 jours. Il était utile d'arrondir à 30 car, multiplié par 12 (30 × 12 = 360), on se rapproche au plus près de 365 jours, temps que met la Terre pour tourner autour du Soleil.

Question B

Sur un calendrier des postes sont indiquées, à l'emplacement du mois de février, la lettre dominicale et l'épacte. Que signifie chacun de ces mots ?

Réponse

La lettre dominicale est la position du premier dimanche après le 1er janvier. Elle sert au calcul très compliqué de la date de Pâques. On attribue des lettres de A à G aux différents jours : par exemple, si le 1er janvier est un mardi (lettre A), on attribue au dimanche la lettre F : la lettre dominicale de l'année est ainsi la lettre F. Quant à l'épacte, elle est liée au nombre de jours écoulés depuis la nouvelle Lune.

Question C

Pourquoi le mois de février n'a que 28 ou 29 jours alors que tous les autres ont 30 ou 31 jours ?

Réponse

Le premier calendrier romain n'avait que dix mois et commençait en mars. Lorsque les romains rajoutèrent deux mois après décembre, le mois de février devint le dernier. C'est lui qui fut raccourci pour qu'il y ait 365 jours dans le calendrier. On attribua un nombre impair de jours (29 ou 31) à tous les autres mois car les nombres pairs étaient considérés comme néfastes. Seul le mois de février, consacré aux morts, hérita de 28 jours.

Quelques calendriers historiques

Jules César fonde le calendrier julien. Après 1500 ans d'utilisation, ce calendrier ne correspond plus à...

Chapitre 1

Astronomie

Question 1. La chance vous sourit

Né(e) en février, mon signe du zodiaque est Poisson. Qu'est-ce que le zodiaque en astronomie ?

A. L'ensemble des douze étoiles les plus brillantes du ciel

B. L'ensemble des étoiles de la Grande Ourse

C. La zone du ciel dans laquelle se déplacent le Soleil et les principales planètes du système solaire$$$La zone du ciel dans laquelle se déplacent le Soleil et les principales planètes du système solaire

Réponse

La réponse est C. Cette zone se situe au-dessus de l'horizon ; elle est divisée en 12 parties de 30 degrés de largeur chacune. Chaque partie contient une constellation*¹ du nom de nos signes zodiacaux : Bélier, Taureau, Gémeaux, Cancer, Lion, Vierge, Balance, Scorpion, Sagittaire, Capricorne, Verseau, Poisson.

Un peu d'histoire

Il y a environ 4000 ans, les Mésopotamiens connaissaient déjà le zodiaque. Le mot « zodiaque » vient du grec zôon qui signifie « être vivant ». De tout temps, les astrologues se sont très souvent trouvés aux côtés d'hommes politiques. Le plus connu est certainement Nostradamus, astrologue de Catherine de Médicis au XVIe siècle.

La treizième constellation du zodiaque : le Serpentaire

Le Serpentaire, encore appelé « Ophiucus », est une constellation de l'hémisphère Nord qui coupe la constellation du serpent en deux et s'insère normalement entre le Scorpion et le Sagittaire. Elle est sur la trajectoire du Soleil et représente, depuis 1922, le treizième signe du zodiaque. L'astrologie, qui date de quelques milliers d'années, n'en tient pas compte.

Question 2. Soyons ponctuels !

Le cadran solaire indique l'heure solaire. Lorsque je lis 13 h sur un cadran solaire, en été et en France, ma montre indique :

A. 11 h ?

B. 13 h ?

C. 15 h ?

Réponse

La réponse est C. Il est midi, heure solaire, quand le Soleil atteint sa position la plus haute dans le ciel. À Greenwich en Angleterre, en hiver, le midi du Soleil correspond au midi des montres. Quand on s'écarte du méridien* de Greenwich, il faut rajouter ou retrancher une heure selon le fuseau horaire dans lequel on est. Alors que nous devrions avoir la même heure que les Britanniques, nous avons adopté l'heure des Allemands, c'es-à-dire une heure de plus en hiver et deux heures en été.

Un peu d'histoire

Philosophe grec originaire de Milet, Anaximandre est le disciple et l'ami de Thalès. Il aurait été l'un des premiers à utiliser un bâton planté dans le sol, un gnomon, pour estimer la hauteur du Soleil, inventant ainsi le cadran solaire. Il aurait également su prévoir les solstices* et les équinoxes. Les équinoxes sont les moments de l'année où la durée du jour est égale à la durée de la nuit (automne et printemps). Les solstices correspondent au jour le plus long (été) et au jour le...

Chapitre 2

Électromagnétisme

Question 25. Que dis-je, c'est un cap !

Les boussoles indiquent le nord, mais lequel ?

A. Le nord magnétique

B. Le nord géographique

C. Les deux puisqu'il s'agit de la même chose

Réponse

La réponse est A. La Terre est parcourue, sous sa croûte, par des courants de lave gigantesques. Cela lui donne les propriétés d'un aimant. Ce qui attire les boussoles, le nord magnétique, se situe à plusieurs centaines de kilomètres du nord géographique qui correspond, lui, au point le plus haut de l'axe de rotation. De plus, le nord magnétique est en réalité un « sud » puisqu'il attire le nord d'une boussole… Enfin, il se déplace au cours des siècles. Les boussoles de Christophe Colomb n'indiquaient donc pas la même chose que nos boussoles actuelles !

Un peu d'histoire

Depuis l'Antiquité, on connaît la propriété de ces pierres étranges venant d'une région de Grèce, la Magnésie, et qui se collent les unes aux autres. Les premières boussoles étaient des récipients d'eau sur lesquels flottaient des aiguilles aimantées. La boussole fut utilisée en Europe vers le XVe siècle. Le mot boussole vient de l'italien bussola, qui signifie « petite boîte ».

Une boussole de navigation

Question 26. Les aimants terribles

Si on casse un aimant en deux, que se passe-t-il ?

A. On se retrouve avec le pôle nord dans une main et le pôle sud dans l'autre

B. On obtient de petits aimants avec chacun un pôle sud et un pôle nord

C. L'aimant perd ses propriétés magnétiques

Réponse

La réponse est B. Il est impossible de séparer le pôle nord du pôle sud d'un aimant. Lorsqu'on casse un aimant, chaque morceau a de nouveau un pôle nord et un pôle sud. En revanche, en électricité statique, on peut obtenir des objets chargés uniquement d'électricité positive ou d'électricité négative.

Un peu d'histoire

Le savant français Pierre de Maricourt (XIIIe siècle) fut l'un des premiers à étudier les étonnantes propriétés des aimants. Il est considéré comme le fondateur du magnétisme. Il fut surnommé « le Pèlerin » pour sa participation à une croisade en Terre Sainte. On raconte que sachant travailler les métaux, il créa un type d'armure pour les armées de Louis IX.

Aimants en fer à cheval

Deux pôles nord se repoussent, deux pôles sud se repoussent, un pôle nord attire un pôle sud, et vice versa.

Question 27. Atmosphère,

...

Chapitre 3

Mécanique

Question 45. Régime élémentaire

Quand on monte sur une balance, on mesure :

A. Sa masse ?

B. Son poids ?

C. Les deux, car la masse et le poids représentent la même chose ?

Réponse

La réponse est A. On confond souvent les deux par abus de langage. En fait, le poids est la force qu'exerce la Terre sur nous, autrement dit, la gravité. Elle se mesure en newton. La masse est notre quantité de matière et s'exprime en kilogramme. Si on fait 50 kg sur la Terre, on fera 50 kg sur la Lune. En revanche, notre poids sera moins important sur la Lune car nous sommes moins attirés par la force de gravité : les astronautes ne sautillent-ils pas sur notre satellite ? Notre balance mesure donc une masse, exprimée en kilogramme, et non un poids.

Un peu d'histoire

« Donnez-moi un point d'appui, je soulèverai le monde. » C'est au IIIe siècle avant J.-C. qu’ Archimède exposa sa théorie du levier. Elle sera à l'origine de la balance dite « romaine », où les deux bras du fléau (élément qui supporte les plateaux de la balance) n'ont pas la même longueur. D'un côté, on a un contrepoids, de l'autre, l'objet à peser : le poids de l'objet à peser est proportionnel à la distance du contrepoids.

Question 46. Ça tombe bien

Une pierre lâchée du haut du mât d'un bateau qui avance régulièrement sur une mer calme tombe :

A. Au pied du mât ?

B. À l'avant du bateau ?

C. À l'arrière du bateau ?

Réponse

La réponse est A. En tombant, la pierre continue à avancer à la même vitesse que le bateau. Elle tombe donc au pied du mât. On dit que le bateau est un référentiel* galiléen puisqu'il se déplace à vitesse constante.

Un peu d'histoire

C'est le physicien Galilée qui énonça la loi d'inertie : un objet, s'il n'est soumis à aucune force, est soit immobile, soit en mouvement rectiligne uniforme. Le mouvement rectiligne uniforme est très important en physique car il a contribué à la définition des référentiels* galiléens.

L'inertie d'une pierre qui tombe

Question 47. Tonnerre de Brest !

Lors d'un orage, si vous comptez jusqu'à 2 entre l'éclair et le tonnerre. La foudre est tombée à :

A. 68 mètres ?

B. 680 mètres ?

C. 6800 mètres ?

Réponse

La réponse est B. Le son parcourt 340 mètres en une seconde dans l'air. Dans l'eau, la vitesse du son est d'environ 1500 mètres par seconde. La vitesse du son varie avec la température : plus il fait chaud, plus le son est rapide.

Un peu d'histoire

En 1636, le père...

Chapitre 4

Optique

Question 67. Points de vue

Parmi ces trois propositions, laquelle est fausse ?

A. Le cristallin* d'une personne myope fait trop converger la lumière, c'est pourquoi il lui faut des verres de lunettes divergents

B. Une personne hypermétrope voit très mal de près

C. Une personne astigmate* déforme les contours

Réponse

Les trois réponses sont bonnes. Une personne hypermétrope voit très bien au loin. En revanche, elle a du mal à accommoder pour une vision rapprochée. Les rayons lumineux se forment derrière la rétine à cause, le plus souvent, d'un cristallin trop plat. Elle doit donc utiliser des verres convergents, c'est-à-dire des verres plus épais au centre qu'au bord.

Un peu d'histoire

La plus ancienne lentille fut découverte dans l'ancienne Mésopotamie, on ne sait pour quel usage. L'empereur Néron (Ier siècle après J.-C.) qui était myope se servait d'un morceau d'émeraude pour regarder les spectacles. Pline l'Ancien (23-79) ne déclarait-il pas dans son Histoire naturelle: « Pour l'œil, il n'existe aucune couleur plus agréable que l'émeraude ? »

Attention les yeux !

Lorsque votre vision ne nécessite aucune correction, on dit que votre œil est emmétrope. Vers la quarantaine, votre œil emmétrope devient la plupart du temps presbyte : vous voyez bien de loin mais votre vision de près se détériore. Cette détérioration est due au cristallin dont la déformation devient plus faible, ce qui a pour conséquence une diminution de l'accommodation.

Question 68. Images du monde

Pour voir les objets qui nous entourent, il faut que :

A. La lumière parte des objets pour arriver à nos yeux ?

B. Nos yeux envoient un rayon qui rebondit sur l'objet pour revenir ensuite vers nous ?

C. La lumière éclaire à la fois nos yeux et l'objet ?

Réponse

La réponse est A. Tous les objets et les êtres vivants sont des sources de lumière : nous émettons tous des rayons lumineux. Certains fabriquent la lumière comme le Soleil, l'écran de télévision ou la luciole. On les appelle des « sources primaires ». D'autres profitent de cette lumière en la diffusant ; la lumière ne fait que rebondir sur ces objets : ce sont alors des « sources secondaires » comme vous et...

Chapitre 5

Thermodynamique

Question 85. Le ballon rouge

Pourquoi un ballon gonflé à l'hélium éclate-t-il à une certaine altitude ?

A. Le ballon implose sous l'effet de la pression atmosphérique qui augmente

B. Le gaz à l'intérieur du ballon prend de plus en plus de place car la pression atmosphérique à l'extérieur diminue

C. Un oiseau vient le percer avec son bec

Réponse

La réponse est B. Il s'agit de la loi de Boyle-Mariotte : le volume d'un gaz est inversement proportionnel à la pression qu'il reçoit. Les plongeurs en ont conscience sous l'eau : avant de remonter à la surface, il faut vider ses poumons, l'air ayant tendance à prendre plus de place à la surface.

Un peu d'histoire

Le Français Edme Mariotte (1620-1684) énoncera après le physicien irlandais Robert Boyle (1626-1691) la loi qui portera leurs deux noms. Le physicien français Émile Clapeyron (1799-1864) s'est également beaucoup intéressé à la thermodynamique. Un diagramme représentant la pression d'un gaz en fonction de son volume portera son nom.

Diagramme de Clapeyron

Question 86. C'est parti pour le chaud

Pourquoi utilisait-on du mercure dans les thermomètres ?

A. Il est plus visible que l'eau transparente

B. Il permet de descendre sous 0°C sans geler

C. Il se dilate beaucoup plus que l'eau sous l'effet de la chaleur

Réponse

Les trois réponses sont bonnes ! Interdit pour sa toxicité, le mercure a été remplacé par l'alcool dans les thermomètres. L'eau se dilate très peu sous l'effet de la chaleur. De plus, la plage...

Chapitre 6

Structure de la matière

Question 99. Matière à discuter

Le Cinquième élément fut un film à succès. Quels sont les quatre premiers éléments qui constituent la matière, comme on le pensait dans l'Antiquité ?

A. L'eau, l'air, le bois, le feu

B. L'eau, l'air, la terre, le métal

C. L'eau, l'air, la terre, le feu

Réponse

La réponse est C. On attribuait à chacun des éléments une figure géométrique : le tétraèdre représentait le feu, l'octaèdre régulier l'air, le cube représentait la Terre et l'eau était représentée par un icosaèdre (polyèdre à 20 faces). La théorie des quatre éléments va perdurer pendant plusieurs siècles, les savants n'ayant pas d'explications plus satisfaisantes à fournir.

Un peu d'histoire

Anaximène (-550/-480) pensait que l'air est à l'origine de toute matière. Dilaté, il se transforme en feu, comprimé, il donne des nuages qui se transforment en eau, comprimé davantage, il se transforme en terre.

Tétraèdre

Icosaèdre

Question 100. L'art de la science

Un édifice à Bruxelles s'appelle l'Atomium. L'atome est la plus petite particule de matière. Il vient du grec atomos qui signifie :

A. Minuscule ?

B. Insécable ?

C. Particule ?

Réponse

La réponse est B. La taille de l'atome est d'environ 1 milliardième de mètre ou encore 1 millionième de millimètre ! Et ce n'est pas fini car l'atome est constitué d'un noyau et d'électrons qui gravitent autour de lui… La matière a ainsi la même structure que des poupées gigognes !

Un peu d'histoire

Le Grec Démocrite (-468/- 399) prolonge l'idée de Leucippe en supposant la matière constituée de petits grains insécables (qu'on ne peut séparer). Pour Lucrèce (Ier siècle avant J.-C.), « Il n'existe aucune force qui puisse détruire les atomes, à toute atteinte leur solidité résiste. » 2000 ans plus tard, on définira des particules plus petites que les atomes (protons, électrons) et la radioactivité illustrera leur relative...

Glossaire

Aberration chromatique: défaut d'un instrument optique qui donne un aspect flou et irisé à l'image.

Accélérateur de particules: appareil de grande dimension utilisé en physique nucléaire pour casser la matière par collision de particules accélérées.

Acide sulfurique: le mot sulfurique vient du mot « soufre ». Avec l'acide nitrique et l'acide chlorhydrique, il s'agit de l'un des acides les plus fréquemment rencontrés dans le domaine de la chimie.

Antimatière: matière composée d'antiparticules. Les antiparticules présentent des caractéristiques similaires aux particules (même durée de vie, même poids) mais peuvent différer par leur charge électrique.

Apesanteur: être en apesanteur signifie ne ressentir aucune gravité, comme lorsque les astronautes flottent dans l'espace. La gravité et la pesanteur sont deux mots synonymes.

Astigmatisme: défaut de la vision qui transforme un point en une tâche floue.

Bissextile: une année bissextile...