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  • Science physique











Les caractéristiques de la lumière

L a lumière est le moyen le plus puissant pour nous permettre de prendre connaissance de l'univers. Certaines réactions produisent une grande quantité d'énergie qui peut être transmise sous forme de lumière. Une flamme libère de la chaleur tout en agissant comme source de lumière. Les principales sources de lumière sont le soleil, des lampes électriques et fluorescentes et des chandelles qui permettent à la lumière d'entrer dans l'œil et de voir les objets. Ces objets réfléchissent une fraction plus ou moins grande de la lumière et absorbent le reste pour la transformer, souvent en chaleur.

La lumière se propage par ondes électromagnétiques perçues par l'œil humain et nous permet de voir le monde en couleurs. La couleur d'un objet résulte de la qualité de la lumière qu'il reçoit et des rayonnements lumineux que sa surface absorbe.

Les couleurs primaires de la lumière sont le rouge, le bleu et le vert et mélangées ensemble donnent le jaune, le cyan et le magenta.

En plus de nous permettre de voir, la lumière du soleil permet la photosynthèse des plantes vertes qui, elles, captent le gaz carbonique de l'atmosphère et libèrent l'oxygène nécessaire à la respiration.

De plus, les rayons ultraviolets, composants importants de la lumière du soleil, stimulent la production de vitamine D qui provoque le bronzage de la peau et peut favoriser ce type de cancer. Les rayons-X traversent les tissus et permettent, en médecine, de voir l'état des os et des dents d'un individu.

Les filaments de tungstène dans une ampoule électrique sont responsables de produire de la lumière. Le courant électrique traverse les minces filaments de tungstène, spiralés sur eux-mêmes. Les charges électriques du courant entrent en collision avec les atomes de tungstène et leur transfèrent de l'énergie. Le courant transmet son énergie aux filaments de tungstène et la température du filament augmente à environ 2 500 º C. Les objets avec une température très élevée émettent des radiations sous forme de lumière visible. Environ 12 % de la chaleur d'un objet à 2 500 º C est émis sous forme de lumière, qui est aperçue dans les ampoules. Le reste de l'énergie est libéré sous forme de chaleur.


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La réflexion

S ans lumière, il serait impossible de voir le monde autour de nous. Nous voyons la plupart des objets à cause de la lumière qu'ils réfléchissent. La quantité de lumière réfléchie dépend de la surface; une surface lisse et blanche réfléchit plus de lumière qu'une surface sombre et rugueuse.

Puisque la surface des miroirs est lisse et brillante, la lumière rebondit sur eux sans aucun changement, ce qui donne une image exacte de chaque objet. Un miroir plan donne une image de même taille que l'objet tandis qu'un miroir courbe donne une image plus grande ou plus petite. Un miroir convexe (en forme de bosse) donne une image plus petite, un miroir concave (en creux) donne une image plus grande d'un objet proche et une image plus petite et à l'envers d'un objet éloigné.

Quand la lumière arrive sur une surface avec un certain angle (l'angle d'incidence), elle est réfléchie avec le même angle (l'angle de réflexion).


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Les utilités de l'air comprimé

L 'air peut être compressé ce qui rend sa pression très élevée. L'industrie emploie l'air comprimé de diverses façons. L'air comprimé permet d'économiser du temps et de réduire les efforts physiques des ouvriers. L'air comprimé est aussi utilisé fréquemment par plusieurs personnes. Lorsque l'air est pompé dans un pneu pour le gonfler, une grande quantité d'air est compressé dans un petit espace. Plus la quantité d'air pompé est élevée, plus il est compressé.

L'air comprimé offre également diverses possibilités d'utilisation dans la vie de tous les jours. Il est mis à profit dans les usines de traitement des minerais, les travaux publics, les scieries, les fabriques de peinture, les mines, les imprimeries, les centrales électriques, l'industrie du bois, l'agriculture et dans bien d'autres industries. L'air comprimé a plusieurs utilités dans différents domaines :

  • nettoyage de machines, de moteurs, de bâtiments, de produits finis, de génératrices;
  • élimination des poussières;
  • pulvérisation d'insecticides, d'anti-rouille, de ciment, de beurre dans les boulangeries;
  • alimentation du bétail;
  • gonflage des pneumatiques;
  • portes d'ascenseurs, portes automatiques d'immeubles;
  • pompage ou circulation d'eaux;
  • perforatrices et marteaux pneumatiques;
  • pose de vis et d'écrous;
  • peinture au pistolet;
  • freins à air comprimé;
  • sirène d'alerte d'incendie sur les camions de pompiers.

L'air comprimé


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Comment voler ?


L es oiseaux ont une anatomie adaptée au vol. Leur os sont solides mais légers et certains de leurs organes sont absents, ce qui diminue leur poids. Ils n'ont pas de dents et les femelles n'ont qu'un seul ovaire. Le vol nécessite un métabolisme actif qui occasionne de grandes dépenses d'énergie. Pour bien voler, les oiseaux doivent avoir des sens aiguisés et une bonne acuité visuelle, qualités qui assurent une coordination précise de leurs mouvements.

L'aile est la plus importante structure d'adaptation au vol. Les oiseaux battent des ailes en contractant les muscles de leur poitrine. Les ailes de certains oiseaux sont adaptées au vol plané. Ces oiseaux se laissent porter par les courants d'air et ils ne battent des ailes qu'occasionnellement. C'est le cas des buses et des éperviers. D'autres oiseaux, comme le colibri, battent des ailes continuellement pour se maintenir dans les airs.

Durant le vol, l'aile décrit un mouvement alternatif, assurant à la fois la sustentation (corps maintenu au-dessus d'une surface) et la progression. L'aile bat de manière régulière, prenant appui sur l'air. Le vol de l'oiseau est adapté à son besoin écologique; ainsi la forme de l'aile détermine le type de vol. Certains oiseaux ont des ailes courtes et arrondies pour effectuer des virages soudains tandis que des ailes larges et arrondies permettent un vol capricieux, de courte durée.

La forme aérodynamique des ailes leur permet de fendre l'air sans provoquer de tourbillons tandis que leur forme incurvée assure la portance. La puissance des deux grands muscles de la poitrine des oiseaux remplit une fonction essentielle à la propulsion. Les muscles tirent les ailes des oiseaux vers le bas. De plus, le squelette léger des oiseaux facilite le vol.

Pour s'envoler, les oiseaux battent rapidement des ailes. Plus les ailes sont larges, plus l'oiseau s'envole facilement. Les oiseaux peuvent prendre de la vitesse en se déplaçant vers l'avant pour faciliter l'envol. La force des muscles joue aussi un rôle important pour l'envol.

Comment voler ?

Les avions parviennent à voler à cause de la différence de pression en dessous et en dessus de l'aile. De plus, ils doivent s'élever très vite pour réussir à voler.

Les ailes des avions sont légèrement bombées vers le haut, ce qui allonge le trajet de l'air qui circule à sa surface. Cet air doit aller plus vite que l'air qui passe en dessous de l'aile et donc, une différence de pression est créée. L'air au dessus de l'aile est à une pression plus basse que l'air au dessous de l'aile, et cette différence de pression soulève l'avion.

Cependant, pour atteindre une altitude suffisante pour le vol, les avions doivent être propulsées par un moteur. Le moteur doit pousser l'avion à une vitesse suffisante pour que la portance des ailes compense le poids de l'avion et la résistance de l'air. Comme chez l'oiseau, les matériaux de l'avion doivent être légers et ses formes aérodynamiques.

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La friction (sa réduction et son augmentation)


L Un objet en mouvement ne continue pas son trajet à une vitesse constante, mais ralentit en raison de la gravité et d'une force de friction. La friction est la force entre deux objets qui se touchent. La surface de ces objets est recouverte de particules microscopiques qui s'accrochent, résultant souvent dans la production de chaleur.

La friction est une force qui résiste ou s'oppose, au mouvement entre les surfaces. On peut sentir la chaleur ou le frottement produit par la friction entre des surfaces. On peut entendre les effets de la friction lorsque le frottement produit un bruit. On peut voir les effets de la friction lorsque les surfaces adhèrent ensemble.

La friction produite lorsque les surfaces sont rugueuses est plus grande que lorsqu'elles sont lisses. La quantité de friction dépend de la nature des surfaces de contact et de l'ampleur de la force pressant les deux objets l'un contre l'autre.

La friction est réduite sur une surface lisse et lorsque moins de pression est appliquée sur un des objets. De plus, une substance à base de graisse peut être ajoutée sur la surface d'un objet pour diminuer sa friction. La surface de la coque des bateaux est lisse afin de leur permettre de glisser dans l'eau. La friction augmente lorsque la surface est rugueuse et lorsque le poids des objets en mouvement augmente. Le papier sablé est rugueux afin d'augmenter la friction lorsqu'il est en contact avec le bois.

La force de la friction permet aux pneus des autos d'adhérer sur l'asphalte et nous permet de marcher sur le trottoir sans tomber. Cependant, la friction produit une perte de chaleur et provoque l'usure des objets.

Friction


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La roue, une machine simple


L 'invention de la roue dans le monde antique doit être considérée comme la base principale de la mécanisation. Un grand nombre de mécanismes reposent sur son principe, y compris les voitures, les turbines et les hélices. La roue est un organe mécanique qui permet de transformer un mouvement rectiligne en un mouvement circulaire.

En tant qu'appareil de transport, la roue doit être associée à un châssis, lequel supporte la charge à manoeuvrer. La roue fut d'abord un disque massif en bois, puis composée de rayons. Avec l'apparition de l'auto et l'invention du pneu à la fin du dix-neuvième siècle, la roue devint un élément moteur. Elle jouait un rôle essentiel pour la suspension et la direction des véhicules.

En plus de servir dans le domaine du transport, la roue a de multiples applications : les poulies, les moulins à vent et les turbines. La poulie est composée d'une roue portée par un axe muni d'un câble ou d'une chaîne. La poulie sert à lever un poids, qui peut être assez lourd puisque la présence de la roue facilite le levage de cette charge. Un nombre plus élevé de poulies permet de soulever une charge plus lourde tout en diminuant la tension du câble.

Roue, une machine simple


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Les ponts


L es ponts sont des structures qui supportent une voie de communication au-dessus d'un obstacle naturel ou au-dessus d'une autre voie de communication. Généralement, l'obstacle traversé est un cours d'eau (rivière ou fleuve), un lac ou une dépression profonde de terrain.

Les ponts se divisent en trois grandes familles.

  • Ponts à poutre : ponts reposant sur des appuis, auxquels elle ne transmet que des efforts verticaux, comme un tronc d'arbre jeté en travers un ruisseau.
  • Arcs : ponts en forme de voûtes.
  • Ponts à câble : la route est retenue par des câbles.

Divers matériaux sont employés dans la construction de ponts. Jusqu'à la révolution industrielle, les matériaux naturels étaient utilisés comme le bois et la pierre. Le fer et l'acier, le ciment et le béton ont commencé à être utilisés au cours du dix-neuvième siècle.

Un pont se compose généralement de trois parties principales assurant sa solidité. La superstructure supporte directement la voie de communication. La deuxième partie est l'infrastructure qui repose sur le terrain et supporte la superstructure. Les appareils d'appui sont des éléments interposés entre la superstructure et l'infrastructure et qui ont le rôle de transmettre à l'infrastructure les réactions dues aux charges auxquelles est soumise la superstructure.

Les ponts sont apparus très tôt dans l'histoire pour assurer les voyages des militaires et procurer des voies sûres pour les échanges commerciaux. Les ponts étaient en arc, formés en pierre et en maçonnerie. Au cours de l'évolution, les ponts ont changé ainsi que leur mode de construction. Depuis le début du siècle, les ponts sont construits par morceaux appelés " voussoirs ", liés à ce qui est déjà construit au moyen de câbles.

Pont


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La flottabilité


D ifférents objets placés dans un réservoir d'eau vont soit flotter, couler ou rester entre deux eaux. C'est la flottabilité. L'eau exerce une force qui pousse vers le haut, s'opposant à la gravité. Lorsqu'une pierre est déposée dans l'eau, elle déplace une certaine quantité d'eau en même temps que l'eau exerce une certaine pression sur la pierre. Cette pression n'est pas la même; comme le bas de l'objet est plus profond que le haut, les forces agissant en bas sont plus grandes que celles agissant en haut. Le résultat est une force poussant vers le haut nommée la force de flottabilité.

Un savant nommé Archimède réalisa que, lorsqu'un objet est immergé, il déplace une quantité d'eau de même volume que celui de l'objet. Une balle placée dans un réservoir d'eau déplace une quantité d'eau égale à son volume. Archimède trouva une relation entre la force de flottabilité et l'eau déplacée. Cette relation est le principe d'Archimède : l'intensité de la force de flottabilité d'un objet le poussant vers le haut est égale au poids de la quantité d'eau déplacée par l'objet. Les objets flottent seulement quand leur poids, qui les pousse vers le bas, est inférieur à la force de flottabilité, qui les pousse vers le haut.

Le poids d'un objet dense, comme une boule d'acier est plus important que la force de flottaison et donc, l'objet coule. La forme joue aussi un rôle dans la détermination de la flottabilité. Un objet en forme de boule va couler au fond de l'eau, tandis qu'un objet plus plat va flotter. Le poids de la boule est plus élevé que la force de flottaison puisque la quantité d'eau déplacée est minime. Un objet plat déplace plus d'eau, la force de flottabilité augmente et l'objet flotte. Varier la forme d'un objet fait varier la quantité d'eau déplacée et sa capacité à flotter.



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La tension superficielle

L orsqu'une goutte d'eau tombe sur un objet, elle devient parfaitement ronde. Cette forme sphérique est due à la tension superficielle de l'eau. La tension superficielle est une mesure de la force du film de la surface de l'eau. Les molécules d'eau sont liées entre elles, créant un film très fort dont la tension superficielle est élevée, plus élevée que tout autre liquide sauf le mercure.

La tension superficielle permet aux molécules d'eau de coller sur d'autres substances plus lourdes et plus denses. Les insectes aquatiques peuvent se déplacer à la surface de l'eau grâce à la tension superficielle.

Au centre de la goutte d'eau, les molécules s'attirent avec la même force dans toutes les directions tandis qu'à la surface, elles sont tirées vers le centre car aucune molécule ne tire dans le sens contraire. Ceci donne la forme sphérique à la goutte d'eau et la rend aussi petite que possible.

Sur une surface recouverte de graisse, l'eau reste en gouttes et glisse au lieu de laver. Ceci est dû à la tension superficielle de l'eau. Les molécules, attirées les unes aux autres ne mouilleront pas à moins que la tension ne se relâche.

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L'électricité statique

L e crépitement entendu lorsqu'on enlève un chandail de nylon ou lorsqu'on se peigne, l'éclair pendant un orage de même que la force qui garde l'encre sur le papier d'un photocopieur sont tous des formes d'électricité statique. Cette électricité est produite par le frottement entre deux objets qui produit une charge, qui attire ou repousse.

Quand deux substances sont frottées, les électrons de l'une sont arrachés aux atomes et se collent aux atomes de l'autre. La substance qui perd ses électrons est chargée positivement, celle qui gagne des électrons est chargé négativement. Les charges de signe contraire s'attirent et celles de même signe se repoussent.

Les éclairs transporte une énorme quantité d'énergie. Ils partent du centre du nuage où les courants d'air projettent des gouttes d'eau qui frottent des cristaux de glace et les chargent électriquement. Les charges positives se rassemblent au sommet du nuage et les charges négatives à sa base. Les éclairs éclatent entre le nuage et le sol qui possède aussi une certaine charge. La foudre prend le chemin le plus court, donc les arbres et les bâtiments élevés sont plus en danger.

Éclair

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Les propriétés du son

L e son est dû à des vibrations de l'air et est transmis par le matériau où il se propage. Le son se propage à travers l'air jusqu'aux oreilles sous forme d'ondes sonores. La différence entre les sons graves et aigus est due à la fréquence des ondes sonores, soit le nombre de vibrations par seconde. Si les vibrations se succèdent lentement, le son est grave, si leur succession est rapide, le son est aigu.

Chaque objet possède sa fréquence propre. Quand un objet est poussé exactement au même rythme que sa fréquence propre, les vibrations amplifient, c'est la résonance. Lorsqu'une balançoire est poussée trop tôt, il est difficile de maintenir le balancement tandis que l'effort est minime quand elle est poussée au bon moment.

L'écho est créé lorsqu'une personne crie dans une salle vide puisque le son de la voix est réfléchi par les parois de la salle. L'écho est seulement perçu s'il revient au moins 0,1 seconde après le son initial. Les surfaces lisses et dures donnent les meilleures échos, car elles diffusent peu les ondes sonores.

L'acoustique est la façon dont les sons se réfléchissent sur les parois d'une salle. Dans une salle de concert, la qualité du son qui parvient au public dépend de l'acoustique de la salle. La conception de telles salles limite l'utilisation de matériaux mous, qui absorbent le son et évite d'utiliser trop de surfaces dures et plates.

Les instruments de musique sont des objets en vibration qui émettent des sons. Cependant, ils ont une qualité particulière qui fait que les vibrations sont régulières, régularité qui différencie la musique du bruit. Les cordes tendues des instruments à corde vibrent quand elles sont pincées ou frottées tandis que les vibrations des instruments à vent sont produites par le souffle du musicien dans un orifice.

Propriétés du son


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Le magnétisme

L e magnétisme est la capacité d'un aimant d'attirer divers objets contenant principalement du fer, du nickel ou du cobalt. L'aimant a la capacité d'attirer le fer par l'intermédiaire d'un champ magnétique. Lorsque le fer est aimanté, ses atomes s'alignent selon la direction des lignes de force du champ et se conduisent comme un aimant.

Magnétisme

À l'état naturel, l'aimant se retrouve principalement sous la forme d'un minerai de fer appelé le magnétite. Un aimant artificiel peut être fabriqué par le frottement prolongé d'un corps aimanté sur une barre de fer du milieu de celle-ci jusqu'aux extrémités et toujours dans le même sens.

Les aimants ont diverses propriétés :

  • Les aimants ont deux pôles, le pôle Nord (pôle +) et le pôle Sud (pôle -).
  • Deux pôles opposés s'attirent, deux pôles identiques se repoussent.
  • Un aimant suspendu tourne sur lui-même jusqu'à ce qu'il s'oriente dans l'axe magnétique de la terre (nord-sud).
  • Un champ magnétique entoure l'aimant et traverse les différents matériaux.
  • La puissance d'un aimant est proportionnelle à sa masse.

Les aimants sont utilisés pour s'orienter (boussole), ramasser des objets ferreux, maintenir une cohésion entre deux éléments et dans différents appareils électriques.

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Par Joanne Langis, B.Sc. (Université de Moncton)
M.É.E. (Université de Moncton) et
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