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BFaculté de Physique

Une histoire de la physique

Par Y. SALHI

sectiona_physique@yahoo.frLaboratoire de Mécanique des Fluides Théorique et Appliquée

Une histoire de la physique

La physique avant Galilée

La naissance de la physique

Newton et ses disciples Le XIX siècle

Le XX siècle

La physique (du grec phusikê, la nature) est la « science

de la nature  ». Dans un sens général et ancien

Science qui étudie les propriétés générales de la

matière, de l’espace, du temps et établit les lois qui

rendent comptes des phénomènes naturels.

Sa signification actuelle est néanmoins plus restreinte :

Ce qu’on entend aujourd’hui par « physique » a

longtemps était appelé d’ « Aristote à Newton »

philosophie naturelle .

Elle développe des théories en utilisant comme outil les

mathématiques pour décrire et prévoir l'évolution des

systèmes.

La physique n'accepte comme résultat que ce qui est

mesurable et reproductible par expérience. Cette

méthode permet de confirmer ou d'infirmer les

hypothèses fondées sur une théorie donnée.

Définition

 Un bref historique de l'évolution des idées en physique permettra de rencontrer et de poser

les principaux concept.On trouvera dans les pages suivantes un

historique détaillé des grandes découvertes,

allant de Copernic à nos jours.

Évolution chronologique de la physique

». Durant la préhistoire, les hommes faisaient des observations et étaient amenés à reproduire des phénomènes.

Les théories physiques de l'Antiquité étaient dans une large mesure considérées d'un point de vue philosophique, et n'étaient pas toujours vérifiées par des expérimentations.

La pensée technique s'est développée bien avant les théories physiques.

L’invention de la roue vers 3500 avant J.-C C'est sur les berges des fleuves Tigre et Euphrate

(Irak actuel) et du Nil (Égypte), puis plus tard en Grèce que les prémices des sciences ont vu le jour,il y a 5000 ans. Celles-ci étaient transmises par des religieux, ce qui assurait une continuité du savoir, la navigation assurant la propagation des connaissances et l'écriture, sur tablettes ou papyrus , son « stockage

Préhistoire (-3000an avant J.C)

EN MESOPOTAMIE 3500-539 avant J-C :

Les Babyloniens accordaient beaucoup d’importance à la magie et à la divination (qui leur permet de prédire l’avenir). Ils sont les inventeurs de ce qu’on appelle encore aujourd’hui l’astrologie. Ils élaborent vers 1500 avant J-C leur calendrier en utilisant le cycle de la lune

EN EGYPTE 3100-1000 avant J-C :

Leur conception de l’univers est fondée sur l’observation des astres et les calculs mathématiques.

Ils inventent donc le calendrier de 365 jours qui divise l’année en trois saisons : l’Inondation, les Semailles (l’hiver), les Récoltes (l’été), et en douze mois de trente jours - auxquels on ajoute cinq ou six jours supplémentaires en fin d’année pour coïncider avec l’année solaire.

Les égyptiens ont une bonne connaissance des étoiles et des planètes :

- Ils remarquent que les étoiles peuvent être regroupées enconstellations [Une constellation est un ensemble d'étoilessuffisamment proches pour qu'une civilisation donnée ait décidé de les relier par des lignes imaginaires, traçant ainsi une figure sur la voûte céleste]. Ainsi, le conduit qui, dans les pyramides, mène à la chambre du roi, pointe en direction de la constellation d’Orion.

Ils ont distingué d’autres constellations comme La grande Ourse ou Cassiopée

- Ils connaissent aussi les cinq planètes les plus proches de nous :Mars, Vénus, Mercure, Jupiter et Saturne.Vers 1500 avant J-C, leur calendrier tient compte à lafois des cycles du Soleil et de la Lune.

Science et Religion se mêlaient: les artisans faisaient

des prières pendant la fabrication de leurs objets,

prières qui pouvaient être un moyen de mesurer le

temps lorsque la durée avait une importance dans le

procédé

Cette période vit l'apparition: de techniques agraires,

architecturales et guerrières, l'invention de la

métallurgie

(âge du bronze au IIIe millénaire av. J.-C., âge du fer

vers 1000 av J.-C.),

Thalès Grec, -625/-547

Philosophe, il a acquis son savoir auprès des babyloniens etdes égyptiens, se pose le premier la question fondamentalede l'origine et de la nature des choses : comment l'Universs'est-il formé? De quoi est-il fait?

Il pense que c'est l'eau, qui, en se condensant, donne laterre, et qui, en s'évaporant, donne l'air….

Il pense que la Terre est plate et qu’elle flotte sur l’eau sousla sphère céleste…

…. le monde Xe siècle avant J-C-

XVe siècle après J-C

Platon Grec, -426/-346

La Terre est au centre, et autour d'elle tournent les planètesdans un mouvement circulaire.C’est à lui que l’on doit le terme cosmos pour désigner le monde,il est alors le synonyme d’un univers majestueux et imposant,régi par l’esthétisme, l’ordre, l’harmonie.

…. le monde Xe siècle avant J-C-

XVe siècle après J-C

EUDOXE de Cnide grec, -406/-355

Elève de Platon. Dans sa théorie, le monde est basé sur dessphères homocentriques : tous les objets du ciel (étoiles,planètes, Soleil, Lune) sont posés sur des sphères cristallines transparentes qui tournent de manière uniforme et qui sont ingénieusement axées pour expliquer les mouvements non linéaires des planètes.

Au total il y a dans son système une vingtaine de sphères qui tournent autour de la Terre et qui porte tous les objets.

…. le monde Xe siècle avant J-C-

XVe siècle après J-C

Aristote Grec, -384/-322Disciple de Platon, il est un grand savant de l'Antiquité.(plusieurs dizaines de livres abordant aussi bien l'astronomie, la physique que la botanique ou la médecine).Il va en particulier développer un modèle physique, fondé sur l'observation et la perception intuitive des phénomènes, dont l'influence sera déterminante pour les siècles à venir.Ce modèle dit que la matière est composée des quatre éléments : eau, air, terre et feu.

…. le monde Xe siècle avant J-C-

XVe siècle après J-C

Pour Aristote :1)la Terre est immobile au centre de l'Univers

2) il y a séparation absolue ente le monde terrestre imparfait et changeant et le monde céleste parfait et éternel (la limite étant l'orbite de la Lune)

3) les seuls mouvements célestes possibles sont les mouvements circulaires uniformes.

4) La Terre est entourée de 10 sphères concentriques en cristal.Ces sphères portent les planètes et les étoiles.

5) La Terre est sphériqueSi ses prédécesseurs grecs l’avaient déjà évoqué parce que «la sphère est la plus belle de toutes les figures solides », c’est Aristote qui avance dans son " Traité du ciel " des arguments pour justifier cette théorie :

- la forme circulaire de l’ombre projetée par la Terre sur la surface de la Lune lors des éclipses de Lune

-le fait qu’un voyageur se déplaçant du Nord vers le Sud voit disparaître certaines constellations tandis que de nouvelles s'élèvent

- la Terre doit être sphérique pour des raisons de symétrie et d’équilibre.

Pour Aristote (suite) :

…. le monde Xe siècle avant J-C-

XVe siècle après J-C

ARISTOTE n'a pas une idée très exacte de la notion de force; en plus il confond vitesse et variation de vitesse c'est-à-dire accélération. Alors, il remarque vaguement la force centrifuge et surtout il observe que si un bateau subit une risée, le matelot a tendance à tomber.Ce sera le principal argument en faveur de l'immobilité absolue de la Terre: si celle-ci bougeait, tous les corps à sa surface resteraient en arrière. La Terre lui paraît infinie. Elle seule dans l'Univers est immobile. Et ce géocentrisme plaira à l'Église. Du coup le caractère d'immobilité devient quelque chose de spécial à la Terre, de quelque chose de presque sacré. Le caractère d'immobilité est absolu, il s'oppose au mouvement. Il va en particulier développer un modèle physique, fondé sur l'observation et la perception intuitive des phénomènes, dont l'influence sera déterminante pour les siècles à venir.

Aristote-384/-322

…. le monde Xe siècle avant J-C-

XVe siècle après J-C

Aristarque, dans son ouvrage intitulé "Sur les

dimensions et les distances du Soleil et de la Lune",

est le premier à tenter d'évaluer le diamètre du

Soleil et de la Lune et leur distance par rapport à la

Terre, en introduisant les premières notions de

calcul trigonométrique. Il émit, grâce à ses calculs,

l'idée d'une Terre tournant sur elle-même, autour du

Soleil = première évocation du modèle

héliocentrique .

ARISTARQUE de Samos -310/-230

…. le monde Xe siècle avant J-C-

XVe siècle après J-C

Il se distingua par son remarquable calcul de la

longueur du

méridien terrestre = circonférence de la Terre

qu’il estima à 40349 km à comparer aux 40074km

actuellement mesurés.

Il calcula la circonférence de la Terre. Il trouve

6419 km, la mesure actuelle est 6378 km

ERATOSTHENE de Cyrène -284/-192

astronome, géographe et mathématicien, il écrit un traité d'astronomie nommé l'Almageste qui contribuera à faire admettre pendant plus de quatorze siècles l´idée erronée que la Terre était immobile au centre de l´univers.

…. le monde Xe siècle avant J-C-

XVe siècle après J-C

Ptolémée 100/170

…. le monde Xe siècle avant J-C-

XVe siècle après J-C

Univers géocentrique :

La Terre était immobile et fixe au centre de plusieurs

sphères de rotation. Ces sphères portaient les corps

célestes suivants (dans l'ordre à partir de la surface

externe de la Terre): la Lune, Mercure, Vénus, le

Soleil, Mars, Jupiter, Saturne (les seuls connus

jusqu’à lors car

VISIBLES A L’ŒIL NU) et, enfin, la sphère la plus

éloignée, dite sphère des fixes, car elle porte les

étoiles supposées alors immobiles.

Cette dernière sphère était supposée osciller

lentement, entraînant ainsi la précession des

équinoxes

Ptolémée 100/170

•Les idées anciennes en physique sont peu connues

•leurs vérifications expérimentales et la quasi-totalité des sources

directes les concernant a été perdue malheureusement lors

des deux grands incendies de la Bibliothèque d’Alexandrie: -48 avant

J-C

avec plus de 40 000 rouleaux perdus,

•(hormis ceux d’Aristote dont les rouleaux furent sauvés

in extremis et clandestinement par des

admirateurs.

La civilisation arabo-musulmane conserva la mémoire de la

science grecque. Des écoles et des bibliothèques furent

construites

Ibrahim ibn Sinan ( Irak) C'était un mathématicien, et un

astronome. Il a étudié la géométrie et a été à l'origine de

plusieurs théorèmes.

Abu Raihan al-Biruni a réussi à calculer le diamètre de la

Terre, et affirma même la possibilité selon laquelle la Terre

tournerait sur elle-même.

Al Jazari, avait construit une monumentale horloge.

avec l'invention du zéro.

Moyen Âge (600an à 1450an )….

La civilisation arabo-musulmane

Al-Battânî, grâce à ses observations, permet une meilleure

connaissance des mouvements apparents du Soleil et des

planètes

Ibn al-Haytham etudia l’optique en utilisant la géométrie et

l’astronomie. Il introduit la méthode scientifique. Il a

contredit la théorie de Ptolémée (rayon lumineux issus des

yeux). La lumière est composée de particules se déplaçant

à une vitesse finie. Il émit les bases pour établir les loi de

la réfraction de la lumière.

Ibn Khaldoun est à la fois historien et sociologue avant la

lettre.

Ibn Nafis est le premier à avoir décrit le processus de la

circulation sanguine dans le corps humain au Caire en 1242,

et en particulier de la circulation du sang dans le poumon.

Moyen Âge (600an à 1450an )….

La civilisation arabo-musulmane

Science écrite en arabe Science écrite en arabe – – savants arabes, persans, juifs,... savants arabes, persans, juifs,...

Favorable au développement Favorable au développement des sciences : des sciences :

Coran Coran – – « Celui qui chemine à la recherche de « Celui qui chemine à la recherche de

la la science [‘ilm], Dieu chemine avec lui sur science [‘ilm], Dieu chemine avec lui sur

la la voie du paradis» voie du paradis»

Science arabe le prolongement Science arabe le prolongement de la science grecque de la science grecque

– – mentalité plus pratique mentalité plus pratique

– – traduction du grec vers l’arabe traduction du grec vers l’arabe

Caractère de la science arabe :

bibliothèques, observatoires

Calife Al-Ma’mum (IX siècle) : Foi Calife Al-Ma’mum (IX siècle) : Foi et raison et raison

– – Création des institutions Bayt al-Hikma « Création des institutions Bayt al-Hikma « Maison Maison

de la Sagesse» de la Sagesse» corps complet de traducteurs corps complet de traducteurs Construction des observatoires Construction des observatoires astronomiques et bibliothèques astronomiques et bibliothèques – – (Cordoue – 40 000 volumes) (Cordoue – 40 000 volumes)

Développement de la science Développement de la science arabe arabe

– – Mésopotamie : VIII – XI siècle Mésopotamie : VIII – XI siècle

– – Espagne et Egypte : X - XII siècle Espagne et Egypte : X - XII siècle – – Samarkand : XIII-XV siècle Samarkand : XIII-XV siècle

Caractère de la science arabe :

Héritages et échanges

Traduction des textes grecs – Platon République, Timée, ... – Toute l’œuvre d’ Aristote Les Catégories, La logique, La

Rhétorique, Métaphysique, Physique, Du ciel,...

– Ptolémée, – Euclide

– ... Textes orientaux

– Chine : procédés de calcul, (papier), – Egypte : techniques d’arpentage,

– Mésopotamie : observation astronomique

AstronomieParmi les sciences mathématiques Parmi les sciences mathématiques – – « science de l’univers» « science de l’univers» (‘ilm alhay’a) (‘ilm alhay’a)

– – « science des sphères célestes» « science des sphères célestes» (‘ilm al-flak) (‘ilm al-flak)

Étudier les mouvements apparents des astres Étudier les mouvements apparents des astres

Donner une interprétation géométrique Donner une interprétation géométrique

Astronomes :

période, lieux

•Tolède/Cordoue (XI, XII siècle) - al-Zarqali,

–ibn Rushd « Averroès », –al-Bitruji

Arménie (X siècle) -al-Biruni,

Bagdad (IX, X, XI siècle)

– al-Khwarizmi, – al-Farghani,

– Tabit ibn Qurra , – al-Battani,

Samarkand (XIV, XV siècle)

–Ulugh Beg – Omar Khayyami

Arabie (IX siècle) –Abu Ma’shar

•Egypte (X siècle) – al-Haytam

•Iran (IX,X siècles)-al Buziani-al Sufi

al- Khwarizmi

(Bagdad ~ 780/ ~850)

Traduction l’ Almageste (Ptolémée) Elaboration tables astronomiques (position des planètes et étoiles)

– Zij al-sindhind (à partir des tables hindoues)

Livre sur l’astrolabe grec

– « preneur des étoiles» – mesure de « azimut»

al-Battani

(Bagdad ~858/929)

sinus corde

« Ptolémée Arabe»

Observation des éclipses Livre de tables astronomiques

– Kitab al-Zij (corrections de Ptolémée) –

Reprise des demi-cordes « indiennes» – transformation mot indien corde jiva

djiba : en arabe repli, poche

traduction latine 1150 : G. de

Crémone – sinus : « pli, cavité»

Peinture représentant des scientifiques arabes travaillant à Bagdad

al-Biruni

(Arménie 973/1048)

Jeune prodige à 17 ans – graduation d’un cadran solaire (précision 0.5 degré)

Géographie astronomique mesure longitude (distance au méridien) à partir des mesures

astronomiques) Connaissance d’ Avicenne Savoir encyclopédique – 13 000 pages de textes techniques

Illustration d’une éclipse de lune par Al-Biruni

Astronomes ....

• ibn Yunus

(Egypte 950/1009)

– Observatoire astronomique astrolabe en cuivre 1,40 m de diamètre

– Les Grandes Tables astronomiques d’ Al-Hakim (calife) 81 chapitres, (plus vaste zij Al-Battani) observations personnelles et ses prédécesseurs un peu d’astrologie – prédire la mort du calife !!!

– Ouvrage détermination des heures des prières (soir, crépuscule, matin, midi)

al-Zarqali (Tolède XIè siècle) – Horloges et instruments astronomiques

Horloges à eau très complexes (mesures des mouvements de la lune)

– Les Tables Tolédanes (identiques à celles al-Khwarizmi)

– Epoque des bouleversements

sociaux et politiques > Invasion Almohades

Astronomes,...

Omar Khayyami (Iran XI siècle)

– Invasion par les Turcs – Protecteur « sponsor» à

Samarkand – Les Tables astronomiques

Malikshah positions et grandeurs des étoiles –

Reforme du calendrier taux erreur : 1 jour / 5 000 années –

pas de confiance en astrologie

al Tusi (Damas XII siècle) – Invention du astrolabe «

linéaire» appareil simple baguette en bois graduée et fil de

plomb mesure altitudes étoiles direction de la Mecque

Astronomes : Cordoue (XII siècle)

ibn Rushd /Averroès (1126-1192) – « le Commentateur

d’Aristote»

– Connaissances « encyclopédique»

Astronomie, Physique, Logique, théologie, médecine,...

– Grand penseur : grande influence sur la pensée

médiévale

– Mouvement uniforme et régulier des corps célestes

opposition aux mouvements excentriques de Ptolémée

sphères concentriques d’ Eudoxe

al-Bitruji /Alpatragius (XII siècle)

– Interprétation des mouvements de Ptolémée

– mouvement hélicoïdal des étoiles

– auteur souvent cité par Albert le Grand, Bacon,...

Astronomes : Samarkand ...

Ulugh Beg (1394-1449) – le « grand prince» – petit fils de Tamerlan (mongol) – Fondateur medersa (IESA) – Constructeur d’un observatoire sextant de 50 m – 1° => 70 cm – 1’ => 12 mm

– la meilleure précision de l’époque – Tables astronomiques Zij-i Gurgani : très précises

al-Kashi (Iran XVe siècle) – « homme de science

remarquable» – Calcul π (16 décimales)

La physique

• Optique – Ibn al-Haytham

Mécanique : – Thabit ibn Qurra traduction d’Archimède (Leviers, poulies, balances,...) – AL-Khazini Livre de la balance et de la

sagesse : Kitab Mizan al-

Hikmah

al-Haytham (Alhazen) (Irak, 965/1039)

Optique : « Père de l’optique»

– Kitab al-Manazir – L’ Optique (7 volumes) – « physique des rayons»

– lumière chose émise par les sources « source primaire» : ligne droite

« source secondaire » : en forme de sphère

> redécouverts par Huygens 6 siècles plus tard – théorie sur les couleurs

– Vision : nerf optique et connexion su cerveau – le premier à décrire les lois de la réfraction

> redécouverts par Kepler et Descartes (XVII siècle)

Camera obscure construite par

Ibn al-Haytham

Les mathématiques ....

Introduction des chiffres hindous – cifra (latin médieval) de l’arabe sifr : « vide»

Art mathématique

– Algèbre, al-jabr (arabe) – « réparation; remise en place des os » – en espagnol ancien : le rebouteux est appelé

algebrista (Don Quichotte) – « réduction de l’arithmétique à une forme plus

parfaite»

– Trigonométrie trigonos : « triangle »; metron : « mesure» ‘géometrie’ appliquée à l’étude du Monde (terre,

Soleil,...) et leurs mouvements

Thabit ibn Qurra (Mésopotamie IX siècle) – Thabit ibn Qurra (Mésopotamie IX siècle) –

Traducteur d’ Archimède, Euclide – Théorie des Traducteur d’ Archimède, Euclide – Théorie des

nombres nombres

Nombres parfaits : égal à la somme des ses Nombres parfaits : égal à la somme des ses diviseurs – ex. 6 = 1 + 2 + 3 diviseurs – ex. 6 = 1 + 2 + 3

Nombres amicaux : la somme des diviseurs de Nombres amicaux : la somme des diviseurs de l'un égale l'autre. – l'un égale l'autre. –

Exemple :220 et 284 Exemple :220 et 284

» » Somme des diviseurs de 220 : 1 + 2 + 4 + 5 + Somme des diviseurs de 220 : 1 + 2 + 4 + 5 + 10 + 11 + 20 + 22 + 44 + 55 + 110 = 284 10 + 11 + 20 + 22 + 44 + 55 + 110 = 284

» Somme des diviseurs de 284 : 1 + 2 + 4 + 71 + » Somme des diviseurs de 284 : 1 + 2 + 4 + 71 + 142 = 220 142 = 220

– – Ouvrage de géométrie : Ouvrage de géométrie : Les Données Les Données grande influence pendant le moyen âge grande influence pendant le moyen âge

Les mathématiques ....

Il place le Soleil au centre de l'Univers et non la

Terre:

le modèle héliocentrique est né

Nicolas Copernic (1473-1543) scientifique polonais

Les précurseurs d’une révolution :

-  Copernic fait du Soleil, le centre, non seulement

du système solaire, mais de l'Univers tout entier.

La Terre apparaît dans son système comme une

planète comme les autres qui tourne sur elle-

même et qui tourne autour du Soleil.-   La Terre tourne sur elle-même et fait un

tour sur son axe en une journée. Elle fait le

tour du soleil en un an. Elle oscille sur son

axe tout comme une toupie.

  Les autres planètes font la même chose

que la Terre elles tournent toutes autour du

soleil.

Il défendit le système de Copernic. C'est un des premiers physiciens expérimental, il ne base pas ses

théories uniquement sur de l'intuition et de la géométrie, mais sur des lois physiques. Il fait en quelque sorte naître l'astrophysique.

Johannes Kepler (1571-1630) Astronome allemand

Les précurseurs d’une révolution :

Johannes Kepler (1571-1630) Astronome allemand

Les précurseurs d’une révolution :

Kepler énonce trois lois concernant les mouvements

des planètes autour du Soleil connues sous le nom de...

Lois de Kepler :

-chaque planète décrit une ellipse dont le Soleil occupe un des foyers;

-les aires décrites par le rayon vecteur planète-Soleil sont proportionnelles aux temps employés à les décrire

-les demi-grands axes a et les périodes de révolution T sontreliées par a3/T2=constante pour toutes les planètes.

Il fait construire la lunette qui porte son

nom.

Il est le premier à avoir braqué vers le

ciel un nouvel instrument d´optique, la

lunette, grâce auquel il découvrit une

multitude de choses jusqu´alors

insoupçonnées.

Ses observations confirmèrent la

théorie de Copernic

un esprit universel : Galilée (1564-1642)

un esprit universel : Galilée (1564-1642)

Il observe minutieusement les taches du Soleil, il les

voit évoluer et en conclut que le Soleil tourne sur lui-

même. Il en arrive à penser que la prétendue

perfection de l'univers est illusoire, qu'il y a des objets

dans le ciel analogues à la Terre qui n'a plus aucune

raison d'être le seul objet immobile

un esprit universel : Galilée (1564-1642)

Mouvement rectiligne uniforme et immobilité sont donc

la même chose. C'est une affaire de point de vue. Nous

dirons en physique moderne qu'il s'agit d'une affaire

d'observateur ou plutôt de référentiel.

GALILÉE, empêtré dans son mouvement circulaire en

arrive pourtant presque au principe d'inertie: un corps

qui n'est plus soumis à aucune force continue son

mouvement puisque vu autrement, il paraîtrait

immobile. Changeons de point de vue: si un corps est

au repos est qu'il n'est soumis à aucune force, il reste

au repos.Du haut de la tour de Pise, il lâche des balles de

plomb, de bois, de papier et découvre que, quelle

que soit leur masse, tous les corps sont animés du

même mouvement. Il est également le premier à

énoncer le

un esprit universel : Galilée (1564-1642)

Galilée fut jugé par l'Inquisition pour hérésie.

On caricature souvent son procès en lui prêtant l'expression:

" E pur, se muovere! (Et pourtant, elle tourne!) à propos du

mouvement de la Terre.

Il a beau expliquer que sa théorie ne contredit pas la Bible si

elle est interprétée correctement, Galilée doit finalement

abjurer à genoux ses « erreurs », le 22 juin 1633.

un esprit universel : Sir Isaac Newton (1643-1727)

Il énonce la loi de l'attraction universelle :

«tous les objets de l'univers s'attirent

mutuellement

avec une force inversement proportionnelle au

carré de

la distance ». Comme mathématicien NEWTON développe en même temps que

LEIBNIZ l'analyse

c'est-à-dire les calculs différentiel et intégral pour l'étude des

mouvements.

Il comprend le caractère vectoriel des notions de vitesse et

d'accélération.

Pour rester simple, il comprend que la vitesse peut varier de deux

façons, en intensité (c'est l'accélération ou le freinage au sens trivial

du terme) et en direction.

un esprit universel : Sir Isaac Newton (1643-1727)

Celui-ci comprend en effet rapidement la notion de force dont il repère les effets par rapport à son absence :

          force nulle, F = O : vecteur vitesse V constant          force non nulle, vecteur vitesse V varie. F est liée à la variation du vecteur vitesse qu'on appelle accélération : F = m a (autrefois F = m g ).

Exercée parallèlement au mouvement initial, cette force est capable de freiner ou d'accélérer (au sens de faire aller moins vite ou plus vite) un objet, la trajectoire restant la droite support de la vitesse initiale.

Exercée autrement, la force courbe la trajectoire. L'accélération due à cette courbure vaut V2/R, R étant le rayon de courbure de la trajectoire. NEWTON sait parfaitement que la force centrifuge (vaut F= m.V2/R.

un esprit universel : Sir Isaac Newton

(1643-1727)

Il donne ainsi une explication rationnelle au

mouvement des planètes.

Il prouve, à l’aide de son prisme, que la

lumière est constituée d’un spectre de plusieurs

couleurs.

un esprit universel : Sir Isaac Newton (1643-1727)

violet - indigo - bleu- vert - jaune - orange - rouge

La somme des rayonnements monochromatiques reconstitue la lumière blanche

un esprit universel : Sir Isaac Newton (1643-1727)

Newton inventa le télescope, parmi d'autres inventions.

un esprit universel : Blaise Pascal (1623-1662)

Afin d’aider son père dans son travail

d’administration fiscal Blaise Pascal invente une

machine à additionner

et soustraire.

On peut dire que c'est de cette époque que le mot physique commence à changer de sens:

physique = science des causes naturelles

la science qui étudie les propriétés générales de la matière et établit des lois qui rendent compte des phénomènes matériels:

la première utilisation dans ce sens date de 1708 (petit robert)

Le XIXème commençant voit l'apparition des machines à vapeur.La fabrication de celles-ci relève de l'empirisme le plus total, ce que remarque un très jeune physicien de génie Sadi CARNOT. Mais la thermodynamique va commencer par un loupé: les travaux de CARNOT sont, il est vrai, théoriques, abstraits et difficiles.

Mais ses travaux viennent trop tôt. CARNOT a compris le deuxième principe, le plus difficile, avant le premier. Il a clairement perçu la nécessité de la source froide et le sens des échanges; il n'a pas compris la conservation de l'énergie, ce qui va brouiller les pistes.

Le XIX siècle :

…

L’expérimentateur anglais Michael Faraday

(1791-1867) proposa le premier de décrire

l’action de l’électricité en termes de champ

électromagnétique plutôt que de mouvements de

particules chargées. James Clerk Maxwell (1831-

1879) généralisa et formalisa les résultats

obtenus par les nombreux pionniers de l’étude

des phénomènes électromagnétiques et leur

donna en 1872 une forme quasi définitive.

Le XIX siècle :

Quelques remarques historiques et épistémologiques

Le XIX siècle :

AUGUSTIN FRESNEL

Avec la représentation newtonienne de la lumière, tous les phénomènes d’optique géométrique rencontraient une explication satisfaisante; le jet de particules lumineuses rebondit sur un miroir pour la réflexion.

Newton rendait même compte des phénomènes d’interférences (c’était faux mais il était le seul à le savoir …).

C’est Augustin Fresnel qui rendit la lumière ondulatoire et expliqua les phénomènes d’interférences et de diffraction . Il prouva ses découvertes à une communauté scientifique sceptique au terme d’un long débat contradictoire devant l’académie des sciences.

Cet épisode montre combien Newton avait écrasé de son génie la Physique du XIXème siècle.

Le XIX siècle :

J.C. MAXWELL

Maxwell a réuni dans un même cadre formel la

description des phénomènes électriques,

magnétiques et optiques en introduisant la

notion de champ électromagnétique.

Sa théorie de l’électromagnétisme classique

est toujours très utilisée. Elle a consacré la

Physique classique dans la dernière partie du

XIXème siècle.

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Le XIX siècle :

REPRESENTATION DE LA NATURE A LA FIN DU XIXème SIECLE

Il y a des atomes (une centaine) qui constituent la matière, il y a

de la lumière qui est de type ondulatoire et qui vibre sur un

support matériel subtil qui remplit tout l ’espace, l’éther, dont

on sait peu de choses mais on se dit qu’il faut bien vibrer sur

quelque chose.

Enfin il existe deux interactions fondamentales ou élémentaires

agissant à distance : l’électromagnétisme de Maxwell et la

gravitation universelle de Newton.

Le tout répond à la grammaire de la mécanique newtonienne. ET

PUIS C’EST TOUT. Fin de la Physique.

Le XIX siècle :

REPRESENTATION DE LA NATURE A LA FIN DU XIXème

SIECLE : Le problème du corps noir

Restent de petits problèmes mineurs à régler:

Le rayonnement du corps noir

On n’arrive pas à mesurer la vitesse de la terre par

rapport à l’éther

L’effet photoélectrique

Les équations de Maxwell ne sont pas invariantes

sous les transformations de Galilée

Le XIX siècle :

REPRESENTATION DE LA NATURE A LA FIN DU XIXème SIECLE

Le corps noir est un objet idéal qui réémet exactement ce qu’il reçoit.Théorie classique du rayonnement EM: l’énergie de chaque oscillateur du corps peut varier de façon continue; énergie moyenne <E>=kT.

2

30

8( ) . .T kT d

c

1- Divergence à haute fréquence;

catastrophe ultraviolette

2- Solution de Planck: l’énergie des

oscillateurs doit être discrète

3- Généralisation d’Einstein (1905): le

rayonnement EM est constitué d’un nombre

fini de quanta d’énergie, indivisibles.

Le XIX siècle :

REPRESENTATION DE LA NATURE A LA FIN DU XIXème SIECLE: L’EFFET PHOTOELECTRIQUE

Il existe un phénomène microscopique qui met directement en

évidence (tout au moins on n’a pas d’autre explication) le

caractère corpusculaire de la lumière: c’est l’effet

photoélectrique.

Vous envoyez sur certains matériaux de la lumière et observez

INSTANTANEMENT un courant électrique.

Si le phénomène est ondulatoire, il faut un certain temps aux

électrons pour intégrer l’énergie du rayonnement suffisante pour

les éjecter; ce temps est supérieur aux précisions expérimentales.

Le XIX siècle :

REPRESENTATION DE LA NATURE A LA FIN DU XIXème SIECLE: VITESSE ABSOLUE DE LA TERRE AU TRAVERS DE L’ETHER.

Beaucoup d’expériences furent réalisées pour déterminer la vitesse absolue de la terre au travers de l’éther. Voici la plus célèbre:

On règle l’interféromètre de telle sorte qu’il n’y ait pas d’interférence.Puis on déplace le système et on regarde si la figure optique change.

S’il existe un vent d’éther, des franges apparaissent.

Le résultat fut négatif

Rayonnement cathodique

•des physiciens dont Crookes, Perrin et Thomson étudient le comportement des rayons cathodiques en présence d'aimants et de champs électriques: les rayons sont déviés

•J. J. Thomson c«électrons» onclut que ces rayons sont des particules négatives qu'il appelle (1898)

Rayons X

•Découverts par Röntgen en 1895

•Nature incertaine jusqu’à Von Laue (1912)

Radioactivité

•Découverte par Becquerel en 1896 (uranium)

•1898-1900 P. et M. Curie, E. Rutherford et P. Villard comprennent qu’il y a plusieurs types de radioactivité (a, b, g)

Le XIX siècle :

REPRESENTATION DE LA NATURE A LA FIN DU XIXème SIECLE: Rayonnements : lumière ou matière ?

Le XX siècle : Depuis son début, le siècle dernier a vu une succession

d’idées et de découvertes qui ont influencé le développement de la physique jusqu’à nos jours:

• En 1900 Planck1900 Planck introduit la constante h,h, qui porte depuis son nom, entamant ainsi la révolution quantique;

• En 19051905 EinsteinEinstein partit de l’invariance de la vitesse de la lumière dans le vide, cc, pour arriver à la théorie de la relativité restreinte et à sa célèbre équation E= mc2;

• En 19151915 EinsteinEinstein partit de l’universalitéé de la chute libre, pour arriver à une théorie géométrique de la gravitation, la relativité générale, où la constante de Newton, GG , détermine combien la matière courbe l’espace-temps.

Le XX siècle :

La fin du XIXème siècle marque le triomphe de la physique classique. Les succès de la thermodynamique et de l'électromagnétisme s'accompagnent de réalisations spectaculaires dans la fabrication des moteurs et des machines thermiques ainsi que dans l'utilisation de l'électricité (ondes radioélectriques, fabrication, distribution et utilisation de l'énergie électrique).On cite parfois le cas d'un physicien français déconseillant à un de ses élèves de choisir cette branche car il n'y a plus grand chose à y découvrir.Deux physiciens vont tout bouleverser: Max PLANCK et Albert EINSTEIN

Le XX siècle :

La mécanique quantique correspond à une transformation radicale des idées de temps, de position, d'énergie.

Pour interpréter le rayonnement thermique émis par les parois d'une cavité, Max PLANCK est obligé de supposer que les échanges d'énergie entre le rayonnement et les parois se font par paquets (quanta). Un quantum d'énergie dépend de la valeur d'une constante h (constante de PLANCK) très petite qui correspond en gros à la cellule quantique.Pour interpréter l'émission d'électrons par un métal irradié (dans certaines conditions) par de la lumière, EINSTEIN reprend l'hypothèse de PLANCK.

Retenons que la physique de NEWTON correspond à notre échelle. Dès qu'on quitte ce domaine, elle n'est plus valable. Le domaine microscopique (atomique et subatomique) est celui de la mécanique quantique.

La mécanique quantique :

Le XX siècle :

La relativité: La relativité apparaît en comparaison tout à fait classique, tout comme EINSTEIN apparaît comme le dernier grand physicien classique.L'expérience historique de MICHELSON et MORLEY sur la vitesse de la lumière et l'impossibilité de l'ajouter à une autre vitesse n'a pas joué le rôle initial que d'autres ont prétendu. Mais il est intéressant d'en parler quelque peu.Soit un tapis roulant qui avance à la vitesse V sur lequel marche un piéton à la vitesse U. Un observateur au sol peut penser que le piéton avance à la vitesse W = U + V. C'est la loi de composition des vitesses qui paraît découler de la somme des segments.En réalité, l'expérience de MICHELSON et MORLEY a montré que si le piéton est de la lumière, (U = c) la loi d'addition ne s'applique pas et que, à la précisions des mesures près, W = c.

La relativité:

Le XX siècle :

EINSTEIN postule alors que la faille dans le raisonnement précédent est que le temps sur le tapis roulant est t' différent de t. Le quotient de MP par t n'est donc pas U.Il postule également que la vitesse de la lumière reste la même dans tous les référentiels galiléens c'est-à-dire qu'il suppose exact le résultat expérimental obtenu par MICHELSON.

La relativité: