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U S T H B Faculté de Physique Une histoire de la physique Par Y. SALHI Laboratoire de Mécanique des Fluides Théorique et Appliquée.

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1 U S T H B Faculté de Physique Une histoire de la physique Par Y. SALHI Laboratoire de Mécanique des Fluides Théorique et Appliquée

2 Une histoire de la physique La physique avant Galilée La naissance de la physique Newton et ses disciples Le XIX siècle Le XX siècle

3 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

4  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

5 ». 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)

6 EN MESOPOTAMIE 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

7 EN EGYPTE 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 S les (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.

8 Les égyptiens ont une bonne connaissance des étoiles et des planètes : - Ils remarquent que les étoiles peuvent être regroupées en constellations [Une constellation est un ensemble d'étoiles suffisamment 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 la fois des cycles du Soleil et de la Lune.

9 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.),

10 Thalès Grec, -625/-547 Philosophe, il a acquis son savoir auprès des babyloniens et des égyptiens, se pose le premier la question fondamentale de l'origine et de la nature des choses : comment l'Univers s'est-il formé? De quoi est-il fait? Il pense que c'est l'eau, qui, en se condensant, donne la terre, et qui, en s'évaporant, donne l'air…. Il pense que la Terre est plate et qu’elle flotte sur l’eau sous la sphère céleste… …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C

11 Platon Grec, -426/-346 La Terre est au centre, et autour d'elle tournent les planètes dans 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

12 EUDOXE de Cnide grec, -406/-355 Elève de Platon. Dans sa théorie, le monde est basé sur des sphères 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

13 Aristote Grec, -384/-322 Disciple 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

14 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.

15 5) La Terre est sphérique Si 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) :

16 …. 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

17 …. 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

18 …. 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 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

19 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

20 …. 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

21 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 rouleaux perdus, (hormis ceux d’Aristote dont les rouleaux furent sauvés in extremis et clandestinement par des admirateurs.

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23 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

24 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.

25 Moyen Âge (600an à 1450an ) …. La civilisation arabo-musulmane  Science écrite en arabe – savants arabes, persans, juifs,...  Favorable au développement des sciences : Coran – « Celui qui chemine à la recherche de la science [‘ilm], Dieu chemine avec lui sur la voie du paradis»  Science arabe le prolongement de la science grecque – mentalité plus pratique – traduction du grec vers l’arabe

26 Caractère de la science arabe : bibliothèques, observatoires  Calife Al-Ma’mum (IX siècle) : Foi et raison – Création des institutions Bayt al-Hikma « Maison de la Sagesse»  corps complet de traducteurs  Construction des observatoires astronomiques et bibliothèques – (Cordoue – volumes)  Développement de la science arabe – Mésopotamie : VIII – XI siècle – Espagne et Egypte : X - XII siècle – Samarkand : XIII-XV siècle

27 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

28 Astronomie  Parmi les sciences mathématiques – « science de l’univers»  (‘ilm alhay’a) – « science des sphères célestes»  (‘ilm al-flak)  Étudier les mouvements apparents des astres  Donner une interprétation géométrique

29 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

30 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»

31 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»

32 Peinture représentant des scientifiques arabes travaillant à Bagdad

33 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 – pages de textes techniques

34 Illustration d’une éclipse de lune par Al-Biruni

35 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

36 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 / 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

37 Astronomes : Cordoue (XII siècle)  ibn Rushd /Averroès ( ) – « 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,...

38 Astronomes : Samarkand...  Ulugh Beg ( ) – 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)

39 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

40 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)

41 Camera obscure construite par Ibn al-Haytham

42 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

43  Thabit ibn Qurra (Mésopotamie IX siècle) – Traducteur d’ Archimède, Euclide – Théorie des nombres  Nombres parfaits : égal à la somme des ses diviseurs – ex. 6 =  Nombres amicaux : la somme des diviseurs de l'un égale l'autre. –  Exemple :220 et 284 » Somme des diviseurs de 220 : = 284 » Somme des diviseurs de 284 : = 220 – Ouvrage de géométrie : Les Données  grande influence pendant le moyen âge Les mathématiques....

44 Il place le Soleil au centre de l'Univers et non la Terre: le modèle héliocentrique est né Nicolas Copernic ( ) 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.

45 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 ( ) Astronome allemand Les précurseurs d’une révolution :

46 Johannes Kepler ( ) 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 sont reliées par a3/T2=constante pour toutes les planètes.

47 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 ( )

48 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

49 un esprit universel : Galilée ( ) 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

50 un esprit universel : Galilée ( ) 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.

51 un esprit universel : Sir Isaac Newton ( ) 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.

52 un esprit universel : Sir Isaac Newton ( ) 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 V 2 /R, R étant le rayon de courbure de la trajectoire. NEWTON sait parfaitement que la force centrifuge (vaut F= m.V 2 /R.

53 un esprit universel : Sir Isaac Newton ( ) 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.

54 un esprit universel : Sir Isaac Newton ( ) violet - indigo - bleu- vert - jaune - orange - rouge La somme des rayonnements monochromatiques reconstitue la lumière blanche

55 un esprit universel : Sir Isaac Newton ( ) Newton inventa le télescope, parmi d'autres inventions.

56 un esprit universel : Blaise Pascal ( ) Afin d’aider son père dans son travail d’administration fiscal Blaise Pascal invente une machine à additionner et soustraire.

57 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)

58 Le XIX ème 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 :

59 … L’expérimentateur anglais Michael Faraday ( ) 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 ( ) 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

60 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.

61 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.

62 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.

63 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

64 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 =kT. 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.

65 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.

66 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

67 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) 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 ?

68 Le XX siècle : Depuis son début, le siècle dernier a vu une succession d’id é es et de découvertes qui ont influencé le développement de la physique jusqu’ à nos jours: 1900 Planckh, 1.En 1900 Planck introduit la constante h, qui porte depuis son nom, entamant ainsi la révolution quantique; 1905Einstein c 2.En 1905 Einstein partit de l’invariance de la vitesse de la lumi è re dans le vide, c, pour arriver à la théorie de la relativit é restreinte et à sa c é l è bre é quation E= mc 2 ; 1915Einstein G 3.En 1915 Einstein 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, G, détermine combien la matière courbe l’espace-temps.

69 Le XX siècle : La fin du XIX ème 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

70 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 :

71 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:

72 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:


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