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Ce cours est donné en collaboration avec Valérie Claude, professeure au département de chimie.

DOCUMENTS ET LIENS

18/03/2010
Voici les documents de base présentant la théorie de la relativité restreinte (ou spéciale) d’Enstein. Ces documents se veulent complémentaires aux pages 167 à 197 du livre l’Évolution des idées en physique, soit de la section « Temps, distance et relativité » jusqu’à la section « La relativité générale », exclusivement.

Voici des documents ou liens additionels à présenter et commenter aux cours:

La relativité de la simultanéité des événements (lien) Vidéo illustrant et expliquant la relativité de la simultanéité des événements, selon la théorie de la relativité spéciale d’Einstein.
Les transformations de Lorentz et le principe de l’invariant espace-temps (pdf) Ce document est un petit pas vers la relativité restreinte avancée.
Le voyageur de Langevin (pdf) Toute personne qui connaît un tant soit peu la théorie de la relativité restreinte d’Enstein connaît cette célèbre expérience de pensée, qui soulève des problèmes conceptuels importants et toujours discutés à ce jour. La conclusion suggérée dans ce texte n’est donc ni unique ni définitive.
L’expérience de Michelson et Morley (1887) (lien) Animation flash illustrant le principe de la célèbre expérience de 1887 visant à mettre en évidence la translation terrestre à travers l’éther.
Article intégral publié en 1987 par Michelson et Morley (pdf)
Trinity test (jpg) Série d’images de la première explosion nucléaire conçue par l’homme (juillet 1945) et qui illustre la célèbre formule E = mc².

EXTRA/DEVOIR 2: Le document suivant se veut utile pour une meilleure compréhension du texte de Thomas Kuhn que vous devez lire pour faire votre deuxième devoir : Notes sur Kuhn (pdf).

05/03/2010

Formatif de l’examen 1 (section Astronomie et physique) (pdf)

04/03/2010
Bonjour! Le cours du jeudi 4 mars comportera deux parties: (1) un atelier de révision de la matière vue jusqu’ici, excluant celle de la rencontre 12 sur les débuts de la physique quantique (les inexistants à cette rencontre peuvent toujours consulter les documents et liens de la section du 25/02/2010 ci-dessous); (2) un cours sur l’évolution du concept de relativité en physique et la relativité galiléenne. Les lectures à faire sont: d’abord, le chapitre 3 du livre l’Évolution des idées en physique, à partir de la section « Le système de référence » (p.144), où il faudra lire au moins jusqu’à la section « Temps, distance et relativité » (p.167) exclusivement; ensuite, ces documents additionels que nous utiliserons pour ce cours:

25/02/2010
Bonjour! Le cours du jeudi 25 février portera sur les débuts de la physique quantique, dont nous avons déjà eu un avant goût. Tel que dit, le chapitre 4 du livre l’Évolution des idées en physique — « Les quanta »— présente les principaux aspects de cette partie de la physique. Voici en outre des documents additionnels :

Max Planck et le rayonnement du corps noir : le premier pas vers la physique quantique (pdf)
Spectre du rayonnement du corps noir (lien) Applet illustrant la loi de Plank du rayonnement du corps noir. Le paramètre principal est la température. Celle-ci est indiquée par la colonne rouge dans le thermomètre sur le côté droit, et vous pouvez la modifier en cliquant dessus ou en faisant glisser dessus votre souris. En élevant la température, le maximum d’intensité du rayonnement se déplace vers les plus courtes longueurs d’onde (ou les plus hautes fréquences).

Albert Einstein 1905 (html)
Albert Einstein et l’effet photoélectrique : le deuxième pas vers la physique quantique (pdf)
Effet photoélectrique (lien) Applet qui permet d’explorer le phénomène de l’effet photoélectrique. On conseille de choisir d’abord le cuivre (cooper) comme métal. On constate que l’énergie cinétique (i.e. la vitesse) des électrons éjectés de ce métal est uniquement fonction de la longeur d’onde de la lumière incidente; si on augmente seulement l’intensité de la lumière sur une même longueur d’onde, c'est seulement le nombre d’électrons éjectés qui augmente.

Louis de Broglie ou l’art de la réciproque : le troisième pas vers la physique quantique (pdf)
Diffraction électronique à deux fentes (lien) Cette vidéo confirme à elle seule la prédiction de de Broglie : un faisceau d’électrons passant par deux fentes se diffracte, exactement comme le ferait un faisceau de lumière. Le plus drôle dans cette expérience est que les électrons, comme en témoigne la même vidéo, sont envoyés un à un et arrivent sur l’écran détecteur comme des projectiles (objets ponctuels). Cela constitue un bel exemple de la dualité onde et corpuscule qui règne en mécanique quantique.

Niels Bohr et la structure de l’atome : le quatrième pas vers la physique quantique (pdf)
Atome de Bohr (mov) Animation du modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène. En absorbant un photon, l’électron saute sur une orbite supérieure; en sautant sur une orbite inférieure, il émet un photon.

Diffraction à deux fentes, selon la mécanique quantique (lien) Cet applet aide à comprendre comment la mécanique quantique explique la diffraction à deux fentes. Le concept clé ici c’est la fonction (ou équation) d’onde (voir le prochain document). L’applet montre comment la fonction d’onde d’une particule — par exemple un électron mais ça peut être aussi un photon, un proton, etc., — se développe dans le temps quand la particule rencontre un mur percé par deux fentes parallèles. En vérité, ce qui est montré est le carré du module de la fonction d’onde, la fonction d'onde elle-même étant une fonction (équation) complexe. Ce qu’il faut retenir, c’est que le carré du module est toujours positif et est proportionnel à la probabilité de trouver la particule en un point donné de l’espace, en particulier à un point déterminé sur l’écran détecteur, selon la préparation.

Les courbes 3D de l’applet, comme celle ci-dessus, montrent les probabilités
de détecter la particule en un point du plan (en jaune)

À supposer que l’écran détecteur soit couvert uniformément de détecteurs de particule, chacun de ces détecteurs est a priori susceptible de détecter la particule, mais seulement selon la probabilité donnée par la fonction d’onde. Dès qu’il y a détection de la particule, la fonction d’onde perd alors instantanément son sens et on dit alors qu’il y a « effondrement » de la fonction d’onde.

Sur une même ligne de l’écran détecteur, les probabilités de détection ne sont pas les mêmes. Les probabilités sont petites pour les détecteurs éloignés du centre et elles sont élevées pour les détecteurs près du centre. Mais curieusement, même pour les détecteurs situés près du centre de l’écran, il y a des zones où la probabilité de détection est quasiment nulle. En fait, la densité des probabilités dessine une courbe (ou pattern) conforme à une figure d’interférence typique. Et remarquablement, c’est ce que l’on observe effectivement — après un certain temps si l’on envoie les particules une à une; immédiatement, si l’on envoie une grande quantité de particules en même temps.

P.S.: Ne vous en faites pas si vous ne comprenez pas. Il n’y a en fait rien à comprendre, sauf que c'est tout simplement comme ça et que ça marche. Pour preuve, Richard Feynman, éminent physicien américain, grand contributeur à la mécanique quantique et prix Nobel de physique (1965), a déjà dit: Si quelqu’un prétend avoir compris la mécanique quantique, c’est la preuve qu’il n’y a rien compris.

La notion de vecteur d’état en mécanique quantique (pdf) Comment la mécanique quantique décrit le comportement de l’électron dans l’atome d’hydrogène.
Atome d’hydrogène simulé (mov) Illustration de ce qui précède.

Extra : Une application de la formule E = hv (pdf)

23/02/2010
Bonjour! Le prochain cours (celui du mardi 23 février) portera sur la théorie électromagnétique de la lumière. Le chapitre 3 du livre l’Évolution des idées en physique, excluant la section « Le système de référence » et les autres par la suite, explique les concepts et principes clés de cette théorie dans leur contexte de découverte. En outre, voici ci-dessous d’autres documents. Les quatre premiers sont plutôt schématiques mais suffisent à introduire les concepts de base.

Le champ magnétique (pdf)
Le champ électrique (pdf)
L’induction électromagnétique (pdf)
Production d’une onde électromagnétique (pdf)

Les équations de Maxwell et la théorie électromagnétique de la lumière (html) C'est le texte de base.

Pour expert seulement : l’article original de James Maxwell faisant état de sa théorie — paru dans les Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1865 — est disponible via ce lien.

Charge électrique oscillante générant une onde électromagnétique (lien) Ce lien renvoie à un applet qui simule une charge électrique oscillante et l’onde électromagnétique que cette oscillation produit, selon la théorie de l’électromagnétisme de Maxwell. Trois remarques :

Puisque toute variation d’un champ électrique s’accompagne d’un champ magnétique qui varie aussi, le résultat net est l’émission d’une onde électromagnétique tout autour de cette charge. Dans cette simulation, seul le champ électrodynamique apparaît, si bien qu’il faut imaginer qu’il existe aussi un champ magnétique dynamique dont le plan de variation est perpendiculaire à celui du champ éléctrique.
Si l’on interrompt l’oscillation de la charge (il suffit de décocher la case "oscillation"), le champ électrique redevient statique et il n’y a donc plus production d’une onde électromagnétique ; toutefois, l’onde électromagnétique qui a déjà été créée auparavant continue à exister et à se propager dans l’espace, à la vitesse de 300 000 km/s. Cela n’est qu’un aspect de la beauté de la théorie de Maxwell.
Détail touchant la manipulation de l’applet : la variable k permet de faire varier la période (fréquence) et l’amplitude de l’oscillation.

18/02/2010
Bonjour! Pour vous préparer adéquatement au cours du jeudi 18 février, il faut lire le chapitre 2 du livre l’Évolution des idées en physique, à partir de la section « La vitesse de la lumière » (soit les pages 87 à 116). À cela s’ajoutent les documents additionnels et complémentaires que voici :

Ce que l’on connaît de la lumière aujourd’hui (pdf) Texte d’introduction.
Les principaux phénomènes reliés à la lumière (pdf) Définitions de la réflexion, de la réfraction, de la dispersion et de la diffraction lumineuses.
Tableau synthétique du cheminement de l’optique physique moderne jusqu’au début du XXième siècle (html)
La réfraction (pdf) Éléments d’optique géométrique de ce phénomène.
Qu’est-ce qu’une onde? (pdf) Définit ce que la physique entend par "onde" (ou phénomène de nature ondulatoire).
Onde transversale et onde longitudinale (lien) Ce lien renvoie à un applet illustrant la différence entre ces deux espèces d’onde.
La réflexion et la réfraction selon la théorie ondulatoire de la lumière (lien) Ce lien renvoie à une simulation qui explique la réflexion et la réfraction des ondes par le principe de Huygens. Les explications pour chacune des étapes du phénomène sont données dans une case.
La diffraction selon la théorie ondulatoire de la lumière (pdf) Comment la théorie ondulatoire de la lumière permet d’expliquer le phénomène de la diffraction.
La diffraction selon la théorie ondulatoire de la lumière 2 (lien) Ce lien renvoie à un simulateur permettant de voir et ainsi de mieux comprendre le phénomène de la diffraction, selon la théorie ondulatoire de la lumière.

02/02/2010

Les lois de Kepler en capsule (lien) Ce lien renvoie à une autre présentation particulièrement claire des trois lois des orbites planétaires, de Johannes Kepler (1571-1630). Rappelons que ces lois sont empiriques. Elles ont été obtenues uniquement par l’observation des mouvemements apparents des planètes, interprétés toutefois dans le paradigme héliocentrique, plus beaucoup de tantônnements... Bien que la mécanique newtonnienne en donne les fondements théoriques et permet de les déduire, elles sont appliquées telles quelles (nonobstant les calculs d’intégration et de différentitation) dans de nombreuses situations où il s’agit de déterminer et prévoir le mouvement d’un corps en orbite, en particulier en astronautique (science de la navigation spatiale).

La synthèse newtonienne (pdf) Ce document plutôt pointu, souligne et précise les principaux éléments du chapitre 7 des Origines de la physique moderne, de I. Bernard Cohen, portant sur la mécanique newtonienne.

Ci-dessous une image du principe de l’expérience de Henry Cavendish qui a permis de déterminer expérimentalement la valeur de la constante G :

Ci-dessous une simulation en vidéo du mouvement des planètes autour du Soleil, du 08 janvier 2010 au 31 janvier 2013. Johannes Kepler aurait certainement eu plaisir à le voir. (N.B.: pour entendre la musique de Camille Saint Saëns qui accompagne cette vidéo, assurez vous que le volume du son de votre ordinateur est suffisamment élevé.)

28/01/2010

Comparaison des diamètres équatoriaux des satellites joviens galiléens avec ceux d’autres astres du système solaire (pdf)

Sur les anneaux de Saturne (lien)

Galilée et la chute des corps (pdf)

Dave Scott (Apollo 15, 1971) démontre sur la Lune la loi de la chute des corps de Galilée (mpg) Ce film est depuis des lustres un classique: une plume et un marteau que l’on laisse tomber d’une certaine hauteur touchent le sol en même temps. Explication: pas d’air = aucune résistance = loi de Galilée confirmée.

26/01/2010

Le système astronomique de Ptolémée (pdf)

Parallaxe (lien) Applet illustrant l’effet de parallaxe d’une étoile proche.

Le modèle de Ptolémée réfuté par la planète Vénus (html)

Galilée et Jupiter (html)

21/01/2010

La physique d’Aristote (pdf) Notes de cours, gracieuseté de votre serviteur.

19/01/2010 (premier cours)

Bibliographie et notes en bas de page (pdf) Important : ce sont les règles que vous devrez suivre dans vos travaux pour la rédaction de vos bibliographies et de vos notes ou références en bas de page. Pas compliqué du tout mais essentiel.

Notions d’astronomie 1 (pdf) Présentation brève de quelques notions de base en astronomie, utiles pour la lecture du chapitre 3 des Origines de la physique moderne, de I. Bernard Cohen.

Les principales unités de distance utilisées en astronomie moderne (pdf) Ce court document répond notamment aux questions suivantes. Que vaut une unité astronomique (UA)? Une année-lumière (AL)? Un parsec (PC)? À connaître absolument car nous utiliserons fréquemment ces unités.

Aristote, Météorologie, Livre I (lien) Ce lien renvoie à une traduction intégrale d’une oeuvre d’Aristote, soit le livre I des Météorologiques. Ce document est intéressant à plus d’un titre. Premièrement on peut y reconnaître assez facilement plusieurs des idées d’Aristote en matière de théorie physique. Deuxièment, il s’agit d’un texte source. (Bien que cette traduction soit vieille (1863), sa version en grecque moderne y est accessible.) Troisièmement, il montre que ce qu’il convient d’appeler « la physique aristotélicienne », telle que présentée par exemple dans le chapitre 2 des Origines de la physique moderne de I. Bernard Cohen, n’a jamais été exposée d’une manière aussi systématique par Aristote lui-même. Cette exposition est plutôt une reconstruction rationnelle faite à partir de nombreux écrits du premier maître (dont les Météorologiques) que l’on doit notamment aux savants arabes et occidentaux médiévaux, dont Claude Ptolémée (Alexandrie : 98-168) et Thomas d’Aquin (Italie : 1225-1274), puis aux historiens et philosophes occidentaux contemporains des sciences.

Rétrogradation et épicycle (lien) Cet applet java, très utile aussi pour la lecture du chapitre 3 des Origines de la physique moderne, de I. Bernard Cohen, montre les explications respectives du mouvement (apparent) rétrograde d’une planète selon la perspective géocentrique (Ptolémée) et la perspective héliocentrique (Copernic). Moralité: un même phénomène peut recevoir plusieurs explications différentes et incompatibles entre elles...

Chronologie de l’histoire de l’astronomie (lien) Cette page est une table des principales découvertes, théories et techniques qui ont marqué l’histoire de l’astronomie, de l’antiquité à l’an 2000 de notre ère. Plusieurs éléments ont des liens.

La carte du ciel interactive (lien) Pour ceux et celles qui veulent connaître mieux le ciel, ce logiciel dessine la demi-sphère céleste visible en tout point de la Terre, à tout moment de l’année et à toute heure du jour. Les coordonnées terrestres de Montréal sont 45 31 N et 73 34 W.

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