Cours — Sciences physiques

Les états de la matière

Solide, liquide, gaz

La matière qui nous entoure se présente sous trois états physiques principaux :

• solide : forme propre, volume constant (une pierre, un glaçon) ;
• liquide : pas de forme propre (prend la forme du récipient), volume constant (l'eau) ;
• gaz : ni forme ni volume propres, occupe tout l'espace disponible (l'air).

Un même corps peut changer d'état selon la température : l'eau passe de solide (glace) à liquide (fusion) puis à gaz (vaporisation) en chauffant.

Les changements d'état de l'eau

L'eau change d'état à des températures précises, à pression atmosphérique normale :

• fusion (solide → liquide) à 0 °C ;
• solidification (liquide → solide) à 0 °C ;
• vaporisation (liquide → gaz) à 100 °C ;
• liquéfaction (gaz → liquide) à 100 °C.

Pendant un changement d'état, la température reste constante (un palier) tant que la transformation n'est pas terminée : c'est ce qu'on observe en faisant bouillir de l'eau, la température reste à 100 °C tant qu'il reste du liquide.

La matière, ses états et ses mélanges

Les 3 états de la matière

Tout ce qui existe dans notre univers est composé de matière. Elle se présente sous 3 états physiques principaux :

• L'état Solide : possède une forme propre qu'on peut attraper avec les doigts (ex : un glaçon, un crayon, une roche).
• L'état Liquide : n'a pas de forme propre, prend la forme du récipient et sa surface au repos est toujours parfaitement plane et horizontale (ex : l'eau, le jus).
• L'état Gazeux : invisible, n'a ni forme ni volume propre : il occupe tout l'espace disponible (ex : l'air, la vapeur d'eau).

Les changements d'état et la masse

Quand on chauffe ou qu'on refroidit la matière, elle change d'état physique :

• Fusion : Solide $\rightarrow$ Liquide (le chocolat qui fond).
• Solidification : Liquide $\rightarrow$ Solide (l'eau qui devient glaçon au congélateur).
• Vaporisation : Liquide $\rightarrow$ Gaz (l'eau qui bout dans la casserole).
• Liquéfaction : Gaz $\rightarrow$ Liquide (la buée sur le miroir de la salle de bain).

Mélanges homogènes et hétérogènes

Lorsqu'on mélange plusieurs substances dans un verre :

• Mélange homogène : on ne peut distinguer aucun ingrédient à l'œil nu après avoir mélangé (ex : eau + sel dissous, eau + sirop, l'air).
• Mélange hétérogène : on distingue nettement au moins deux constituants différents (ex : eau + huile, eau + sable).

Lumière et signaux

Sources de lumière et propagation

On distingue les sources primaires de lumière (qui produisent leur propre lumière : le Soleil, une lampe, une flamme) des objets diffusants (qui ne font que renvoyer la lumière qu'ils reçoivent : la Lune, une table).

• Dans un milieu transparent et homogène (l'air), la lumière se propage en ligne droite.
• Un faisceau lumineux peut être parallèle, convergent ou divergent.
• Une ombre se forme lorsqu'un objet opaque empêche la lumière de passer.

Vitesse de la lumière et du son

La lumière et le son sont deux types de signaux qui se propagent, mais à des vitesses très différentes :

• la lumière se déplace à environ 300 000 km/s dans le vide ou dans l'air (quasiment instantanée à notre échelle) ;
• le son se déplace à environ 340 m/s dans l'air, beaucoup plus lentement.

C'est pourquoi lors d'un orage, on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre : plus le délai est long, plus l'orage est loin.

Mouvements, énergie et signaux

Décrire un mouvement et calculer une vitesse

Pour analyser le déplacement d'un objet (skate, vélo, ballon), on étudie deux éléments clés :

• La trajectoire : la ligne dessinée par l'objet en mouvement (rectiligne = tout droit, circulaire = en cercle, curviligne = en courbe).
• L'évolution de la vitesse :
  • Vitesse qui augmente $\rightarrow$ mouvement accéléré.
  • Vitesse constante $\rightarrow$ mouvement uniforme.
  • Vitesse qui diminue $\rightarrow$ mouvement ralenti.

Les sources d'énergie et leurs formes

L'énergie est ce qui permet de faire bouger un véhicule, de chauffer une maison, d'éclairer ou de faire fonctionner un smartphone.

• Énergies renouvelables (inépuisables) : l'énergie solaire, le vent (éolien), l'eau des barrages (hydraulique), la biomasse.
• Énergies non renouvelables (stocks limités) : le pétrole, le charbon, le gaz naturel et l'uranium.

Les signaux pour communiquer

Pour transmettre une information à distance, on utilise des signaux physiques :

• Signaux lumineux : phares, feux de circulation, lasers, fibre optique. Vitesse record dans le vide : 300 000 km/s !
• Signaux sonores : la voix, une sirène, un klaxon. Le son a besoin de matière pour vibrer et avance à environ 340 m/s dans l'air.
• Signaux radioélectriques : Wi-Fi, 4G/5G, Bluetooth (ondes invisibles ultra-rapides).

Circuits électriques simples

Le circuit électrique en boucle simple

Un circuit électrique est une boucle fermée ininterrompue qui relie plusieurs dipôles :

• Le générateur (pile, batterie) : met en mouvement les charges électriques comme une pompe.
• Le récepteur (lampe, moteur) : consomme le courant pour produire de la lumière ou du mouvement.
• L'interrupteur : permet d'ouvrir (éteint) ou de fermer (allumé) la boucle.

Conducteurs, isolants et sécurité

Tous les matériaux ne réagissent pas de la même manière face à l'électricité :

• Les conducteurs : laissent passer librement le courant électrique (tous les métaux comme le cuivre, le fer, l'aluminium, mais aussi l'eau salée et le corps humain).
• Les isolants : bloquent le passage du courant (le plastique, le caoutchouc, le verre, le bois sec).