Électricité, magnétisme, oscillations, son et optique

32 cartes de physique de début d’université sur l’électrostatique, les circuits, les forces magnétiques, le mouvement harmonique, le son et l’optique géométrique et ondulatoire. Des notions d’algèbre, de trigonométrie, de vecteurs et de calcul différentiel et intégral sont nécessaires.

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Électricité, magnétisme, oscillations, son et optique (.md)

Flashcards (32)

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1Quel type d’onde est le son dans un fluide, et qu’est-ce qui détermine sa célérité ?Pour de petites perturbations adiabatiques dans un fluide, le son est une onde longitudinale de pression et de masse volumique, de célérité v = √(B_s/ρ), où B_s est le module de compression isentropique et ρ la masse volumique à l’équilibre. Un milieu matériel est nécessaire. Les solides peuvent aussi porter des ondes de cisaillement ; cette formule n’y est donc pas universelle.
2Comment exprime-t-on le niveau d’intensité sonore en décibels ?β = 10 log10(I/I0) dB, avec I en W/m² et la référence conventionnelle I0 = 10⁻¹² W/m². Une hausse de 10 dB multiplie l’intensité par dix ; 20 dB, par cent. Ces rapports ne déterminent pas directement la sonie perçue.
3Que signifient le signe et la valeur absolue du grandissement transversal d’une lentille ?Avec la convention « réel positif » des lentilles minces, m = h_i/h_o = −d_i/d_o. Si m est positif, l’image est droite par rapport à l’objet ; s’il est négatif, elle est renversée. |m| > 1 signifie agrandie et |m| < 1 réduite. Son caractère réel ou virtuel dépend de la convergence des rayons et du signe de d_i, pas de m seul.
4Quelles équation et solution définissent un mouvement harmonique simple non amorti ?Avec x le déplacement depuis l’équilibre et une pulsation constante ω > 0, ẍ + ω²x = 0. La solution réelle est x(t) = A cos(ωt + φ), où A est l’amplitude et φ la phase. L’accélération a = −ω²x est dirigée vers l’équilibre.
5Que traduisent les lois des nœuds et des mailles de Kirchhoff ?Dans un nœud sans accumulation de charge, ΣI_in = ΣI_out exprime la conservation de la charge. L’équation de maille équilibre les variations de tension et les forces électromotrices conformément à la conservation de l’énergie. Si un flux magnétique variable traverse la maille, il faut inclure la f.é.m. induite −dΦ_B/dt ; ∮E·dl n’est alors pas nécessairement nul.
6Comment l’énergie se répartit-elle dans un oscillateur masse–ressort idéal, libre et non amorti ?En prenant l’énergie potentielle nulle à l’équilibre, E = ½mv² + ½kx² = ½kA² reste constante. En x = ±A, la vitesse est nulle et l’énergie est potentielle. En x = 0, l’énergie potentielle est nulle et l’énergie cinétique maximale.
7Comment l’amortissement modifie-t-il la résonance en déplacement d’un oscillateur forcé ?Pour ẍ + 2βẋ + ω0²x = (F0/m)cos(ωt), avec F0 fixe et un amortissement positif β, l’amplitude stationnaire du déplacement est maximale à ω = √(ω0² − 2β²) si 0 < β < ω0/√2. Cette valeur tend vers ω0 lorsque l’amortissement est faible. Un amortissement plus fort supprime ce pic à fréquence positive ; la puissance absorbée maximale est un autre critère.
8Quel couple agit sur une bobine plane dans un champ magnétique uniforme ?Pour N spires identiques d’aire A parcourues par I, le moment magnétique vectoriel est μ = NIA n, où n est la normale unitaire donnée par la règle de la main droite. Couple vectoriel : τ = μ × B. Sa norme est |τ| = NIAB sinθ, où θ est l’angle entre μ et B.
9Quelle est la loi de Coulomb pour deux charges ponctuelles immobiles dans le vide ?La norme de la force vaut F = k_e |q1 q2|/r², où r est leur distance et k_e = 1/(4π ε0) ≈ 8.988 × 10⁹ N·m²/C². La force suit la droite joignant les charges : deux signes identiques se repoussent et deux signes opposés s’attirent.
10Quelle est l’origine des battements acoustiques et leur fréquence ?Deux ondes sonores de fréquences proches interfèrent et produisent des variations périodiques d’amplitude et de sonie. La fréquence des battements est f_beat = |f1 − f2|. Rapprocher les fréquences ralentit les battements ; des fréquences égales les suppriment.
11Quand la réflexion totale interne se produit-elle, et quel est l’angle critique ?À une interface idéale entre milieux transparents avec n1 > n2, une incidence depuis le milieu 1 produit une réflexion totale interne si θ > θ_c, où sinθ_c = n2/n1 ; les angles se mesurent depuis la normale. Il n’existe pas de rayon réfracté propagatif, mais un champ évanescent pénètre dans le milieu 2.
12Qu’implique la loi de Gauss pour un conducteur et une cavité fermée vide à l’équilibre électrostatique ?Pour une surface fermée, ∮E·dA = Q_enclosed/ε0. Le champ est nul dans le matériau conducteur à l’équilibre électrostatique, car un champ non nul déplacerait les charges libres. Une cavité fermée vide dans un conducteur équipotentiel est également sans champ. Une charge enfermée nulle implique seulement un flux net nul, pas nécessairement un champ nul.
13Quelle est l’équation d’une lentille mince avec la convention « réel positif » ?Dans le modèle paraxial d’une lentille mince entourée du même milieu des deux côtés, 1/f = 1/d_o + 1/d_i. Un objet réel a d_o > 0 et un objet virtuel d_o < 0 ; une image réelle a d_i > 0 et une image virtuelle d_i < 0. Une lentille convergente a f > 0 ; une divergente f < 0.
14Quelle force agit sur un fil rectiligne parcouru par un courant dans un champ magnétique uniforme ?Force vectorielle : F = I(L × B), où L est dirigé dans le sens du courant conventionnel et a pour norme la longueur du fil. La norme de la force est |F| = ILB sinθ, avec I la valeur absolue du courant et θ l’angle entre L et B.
15Quelles sont les trois expressions équivalentes de la puissance dissipée par une résistance ohmique ?P = IV = I²R = V²/R, où V est la chute de tension aux bornes de la résistance R et I le courant. Ce sont des relations instantanées ; en courant continu stationnaire, la puissance est constante. Elle se mesure en watts (W).
16Quelle force magnétique agit sur une charge ponctuelle mobile, et fournit-elle un travail ?Force vectorielle : F_B = q(v × B) ; norme : |F_B| = |q|vB sinθ. La règle de la main droite donne v × B, avec inversion du sens pour une charge négative. Puisque F_B·v = 0, la force magnétique seule ne travaille pas sur la charge et ne modifie pas son énergie cinétique.
17Comment associer des résistances idéales positives en série et en parallèle ?En série : R_eq = ΣR_i, avec le même courant dans chaque résistance. En parallèle : 1/R_eq = Σ(1/R_i), avec la même tension dans chaque branche. Avec au moins deux résistances finies positives en parallèle, R_eq est inférieure à la plus petite résistance individuelle.
18Comment associer des capacités idéales en série et en parallèle ?En parallèle : C_eq = ΣC_i, avec la même tension aux bornes de chaque condensateur. En série : 1/C_eq = Σ(1/C_i). Dans la chaîne en série habituelle, initialement déchargée, les condensateurs acquièrent des charges de même valeur absolue et leurs différences de potentiel s’additionnent.
19Quelles sont les conditions idéales d’interférence à deux fentes ?Pour deux fentes étroites éclairées de façon identique, cohérente et en phase, avec la même polarisation, les franges brillantes vérifient d sinθ = mλ et les sombres d sinθ = (m + ½)λ, avec m entier. d est l’écartement des fentes et λ la longueur d’onde. Sur un écran éloigné à distance L et aux petits angles, l’interfrange brillant vaut Δy ≈ λL/d.
20Quelles sont la loi d’Ohm et la résistance d’un conducteur uniforme ?Pour un conducteur ohmique dans des conditions physiques fixes, V = IR. Pour une longueur L, une section uniforme A et une résistivité uniforme ρ, R = ρL/A. La résistance se mesure en Ω et la résistivité en Ω·m ; une variation de température peut modifier ρ et R.
21Pourquoi un champ électrostatique est-il perpendiculaire à une équipotentielle lorsque E ≠ 0 ?Sur la surface, dV = −E·dl = 0 pour tout déplacement tangent dl. Le champ n’a donc aucune composante tangentielle et est normal à la surface. Là où E = 0, il n’a pas de direction définie.
22Qu’est-ce que la capacité électrique et quand C = κ ε0 A/d est-elle valable ?La capacité est C = Q/V, où Q est la valeur absolue de la charge de chaque armature et V celle de leur différence de potentiel ; 1 F = 1 C/V. Pour des armatures parallèles d’aire A séparées de d, un espace entièrement et uniformément rempli d’un diélectrique linéaire de permittivité relative κ, et des effets de bord négligeables, C = κ ε0 A/d.
23Comment relier différence de potentiel électrostatique, variation d’énergie et travail ?Pour une charge q, ΔU = qΔV et le champ électrique fournit W_field = −qΔV. Si l’énergie cinétique reste constante et si seuls la force électrique et un agent extérieur travaillent, W_ext = qΔV. Le potentiel est une énergie par unité de charge : 1 V = 1 J/C.
24Quelles sont la fréquence et la période d’un oscillateur masse–ressort idéal non amorti ?Pour une masse m et un ressort linéaire sans masse de raideur k, ω = √(k/m), T = 2π√(m/k) et f = 1/T. La période est indépendante de l’amplitude dans ce modèle linéaire idéal.
25Comment les modes des tuyaux idéaux ouvert–ouvert et ouvert–fermé diffèrent-ils ?En négligeant les corrections d’extrémité, une extrémité ouverte est un ventre de déplacement et un nœud de pression ; c’est l’inverse pour une extrémité fermée. Ouvert–ouvert : f_n = nv/(2L), n = 1, 2, 3, …. Ouvert–fermé : f_m = mv/(4L), m = 1, 3, 5, …. L est la longueur du tuyau et v la célérité du son.
26Comment définit-on le champ électrique et les lignes de champ d’une charge ponctuelle ?E = F/q0 est la force par unité de petite charge d’essai positive, en N/C ou V/m ; E et F sont des vecteurs. Les lignes s’éloignent d’une charge ponctuelle positive et se dirigent vers une charge négative. Des lignes plus rapprochées représentent un champ plus intense.
27Quelles fréquences propres sont permises sur une corde idéale fixée aux deux extrémités ?Pour une corde uniforme de longueur L, de tension T et de masse linéique μ, la célérité est v = √(T/μ) et f_n = nv/(2L), n = 1, 2, 3, …. Les deux extrémités sont des nœuds de déplacement. Tous les harmoniques entiers sont permis, mais l’excitation détermine ceux qui sont présents.
28Quelle est la période d’un pendule simple aux petits angles ?Pour une masse ponctuelle suspendue à un support inextensible sans masse de longueur L dans une pesanteur uniforme g, T ≈ 2π√(L/g). On utilise sinθ ≈ θ avec θ en radians. La période ne dépend pas de la masse et n’est qu’approximativement indépendante de l’amplitude aux petits angles.
29Quelle est la loi de Malus pour un analyseur idéal ?Pour une lumière incidente polarisée linéairement d’intensité I0, l’intensité transmise est I = I0 cos²θ. θ est l’angle entre la direction de polarisation du champ électrique incident et l’axe de transmission de l’analyseur. À θ = 90°, la transmission idéale est nulle.
30Comment la loi d’Ampère donne-t-elle le champ extérieur d’un fil rectiligne idéalement long ?Pour des courants stationnaires dans le vide, ∮B·dl = μ0 I_enclosed. La symétrie cylindrique donne B = μ0 I/(2πr) hors du fil, où r est la distance à son axe et I la valeur absolue du courant ; le sens suit la règle de la main droite. μ0 ≈ 4π × 10⁻⁷ T·m/A est une valeur approchée, non exacte dans le SI révisé.
31Qu’est-ce que la dispersion optique, et pourquoi un prisme en verre ordinaire décompose-t-il la lumière blanche ?La dispersion signifie que l’indice de réfraction varie avec la fréquence lumineuse. Dans le domaine de dispersion normale du verre ordinaire pour la lumière visible, le violet a un indice plus élevé que le rouge et est davantage dévié par un prisme. Les couleurs émergent donc dans des directions différentes.
32Quelles sont les lois de réflexion et de réfraction à une interface transparente ordinaire ?Les angles se mesurent par rapport à la normale. Réflexion : θ_reflected = θ_incident. Réfraction : n1 sinθ1 = n2 sinθ2. Pour une incidence non normale vers un milieu d’indice supérieur (n2 > n1), le rayon transmis se rapproche de la normale et sa vitesse diminue, puisque v = c/n.