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Bouzerar meca newton_part1
M. Clavelin, ‘la philosophie naturelle de Galilée’, Paris, A. Colin 1968
M. Clavelin, ‘Discours concernant 2 sciences nouvelles’, Paris A. Colin 1970
A.Koyre, ‘Etudes galiléennes ’ , Paris Hermann 1939; ‘Du monde clos à l’univers
infini’, Tel Gallimard 1973 ; ‘Etudes newtoniennes’, Collection Bibliothèque des idées
Gallimard (1968)
M. Paty, ‘La philosophie et la Physique’, in Le discours philosophique Ed. J.F.Mattei,
encyclopédie philosophique universelle vol.4, PUF Paris 1998
M.Paty, ‘Einstein et la pensée de Newton’, La Pensée Paris n°259 1987
F. Balibar, ‘Galilée, Newton lus par Einstein. Espace et Relativité’, PUF Paris 1984
P. Franck, ‘Einstein : sa vie, son temps ’, Albin Michel 1968
B. Hoffmann, H. Dukas, ‘Albert Einstein, créateur et rebelle ’, Ed. Seuil 1975
A. Einstein, L. Infeld, ‘L’évolution des idées en physique ’, Bibliothèque Payot 1968
J. Allegria, ‘L’espace et le temps aujourd’hui ’, Points Seuil 1983
‘B. Bensaude-Vincent, C. Kounelis, ‘Les atomes. Une anthologie historique ’,
Presses Pocket 1991
‘W. Heisenberg , ‘Physique et Philosophie ’, Albin Michel 1971
R.P. Feynman ,’La nature des lois physiques ’, coll. Points Sciences Seuil 1980
‘D. Lecourt , ‘La Philosophie des sciences ’, Que-sais-je ? n°3624 2001
J.M. Levy-Leblond, F. Balibar, ‘Quantique : Rudiments », Intereditions-CNRS 1984
Sven Ortoli, J.P. Pharabod, ‘Le Cantique des quantiques ’, La découverte 1984
Bibliographie
La Physique moderne c’est
quoi?
…en deux mots…
•C’est avant tout une façon de voir le monde
•Cette représentation s’articule autour de deux
éléments essentiels:
- L’ Observation (Expérience: Un mode
d’interrogation de la Nature) qui fournit des
données factuelles (Ex: données
sensorielles)condensées en principes
- La Théorie: c’est une explication formalisée
construite sur la base des principes induits de
l’expérience.
Cette vision date du XVIIème siècle, initiée par
Galilée et Newton….
Bouzerar meca newton_part1
- Prééminence de la méthode expérimentale (nouvelle physique) et l’explication mathématisée
- Ruine de la Physique aristotélicienne: invention de la lunette et infirmation de la cosmologie
d’Aristote (pas de distinction entre monde sublunaire et supralunaire). Genèse et diffusion de
l’idée d’un univers homogène et unification des lois terrestres et célestes.
-Publication en 1638 (Leyde) des ‘discours concernant 2 sciences nouvelles’ : L’innovation réside
dans le traitement de la science du mouvement (mécanique) et l’introduction d’un nouveau
domaine, la résistance des matériaux (approche moderne de la cohésion des corps solides).
Renouvellement de la Physique mathématique (mise en ordre du savoir acquis sur le
mouvement, induction des principes du mouvement, clarification de la démarche mathématique)
- Contrôle expérimental de l’accélération des mouvements (durées de chute): plans
inclinés).
- Evolution des grandeurs pertinentes (vitesse, accélération) rapportée au temps (et
non à l’espace parcouru).
- Formulation de la loi de la chute des corps: approche géométrique du mouvement
(cinématique des mouvements rectilignes uniformes et uniformément accélérés et composition
de ces mouvements; mouvement circulaire). Innovation: Identification de la chute libre à un
mouvement uniformément accéléré. Difficulté de cette hypothèse révolutionnaire liée à la
diversité sensible des mouvements des corps (effet de la résistance du milieu qui a abusé la
physique aristotélicienne) qui occulte toute possibilité d’unification.
Apport de Galilée (1564-1642)
- Intuition physique du principe de l’inertie. Formulation incomplète par Galilée: idée de
conservation du mouvement rectiligne et uniforme en l’absence de causes extérieures
d’accélération.
- Formulation claire et complète fournie par Huyghens (Horologium oscillatorium, 1673):
‘Si la gravité n’existait pas et qu’aucune résistance d’air ne s’opposait au mouvement des
corps, chacun d’eux continuerait son mouvement avec une vitesse uniforme en suivant
une ligne droite’
- Formulation rigoureuse par Huyghens du principe de composition des mouvements
(composition du mouvement rectiligne et uniforme et d’un de mouvement de chute vertical).
- principe de relativité ( dénomination moderne ): constat expérimental non intuitif: les lois de la
mécanique restent inchangées dans des référentiels dénommés depuis « galiléens »
Il décrit, en se supposant enfermé dans la cabine d'un bateau, des gouttes d'eau
tombant une à une d'une bouteille. Peu importe que le bateau soit immobile, ou se déplace
à n'importe quelle vitesse pour autant qu'elle soit constante, les mouvements qu'on
observerait pour ces gouttes seraient totalement similaires.
Apport de Galilée (1564-1642)
On pourrait ainsi s'attendre à ce que dans un bateau
se déplaçant très vite, les gouttes ne tombent pas
verticalement mais suivent un mouvement vers
l'arrière. Quelle que soit la vitesse à laquelle le
bateau se déplace, pour autant qu'elle soit
constante, c'est pourtant une chute bien verticale qui
est observée, comme si le bateau était à l'arrêt.
Apport de Newton (1642-1727): espace et temps absolus
• L’espace et le temps absolus et relatifs. Le mouvement absolu et relatif.
- Espace physique=continuum géométrique 3D vide de matière. Indépendance vis-à-vis du contenu
matériel (cadre passif). Doté de propriétés géométriques.
‘l’espace absolu, sans relation aux choses externes, demeure toujours similaire et
immobile. L’espace relatif est la mesure de l’espace absolu, laquelle tombe sous nos
sens par sa relation aux corps et que le vulgaire confond avec l’espace immobile […].
Le lieu est la partie de l’espace occupée par un corps et par rapport à l’espace, il est relatif
ou absolu […].
Le mouvement absolu est la translation des corps d’un lieu absolu à un autre et le
mouvement relatif est la translation d’un lieu relatif à un autre lieu relatif.
* Espace absolu = cadre objectif immobile ( le repos absolu a un sens) assimilé à l’espace de la
géométrie d’Euclide. Résurgence du vide de Démocrite. Résidu d’une conception
aristotélicienne: le repos est l’état naturel d’un corps. Idée pourtant ruinée par le principe de
l’inertie de Galilée.
* Espace absolu vide non accessible à nos sens. L’espace perçu est l’espace relatif trahi par
l’étendue des corps et les relations de positions entre les corps. Espace relatif seul accessible
à la mesure.
* Affirmation du caractère objectif du mouvement absolu même si seul le mouvement relatif est
accessible à la mesure (et à nos sens).
* Espace relatif intimement lié à la notion implicite de corps de référence (référentiel). L’espace
absolu nécessite l’existence de corps de référence au repos absolu (référentiels absolus)
- Temps = continuum 1D (droite réelle). Indépendance vis-à-vis de la matière et de l’espace: le
temps s’écoule même dans un univers vide de matière.
‘le temps absolu, vrai et mathématique, sans relation à rien d’extérieur, coule uniformément
et s’appelle durée. Le temps relatif, apparent et vulgaire, est la mesure sensible et externe
d’une partie de durée quelconque (égale ou inégale) prise du mouvement: telles sont les
mesures d’heures, de jours, de mois etc… dont on se sert ordinairement à la place du temps
vrai’
•Distinction entre le temps physique (durée objective) et le temps mesuré (temps relatif).
Temps absolu intimement lié à la succession causale d’événements (positions successives
d’un corps au cours de son mouvement): l’objectivité du temps absolu manifeste
l’objectivité de la causalité.
•Le temps relatif est la mesure du temps (objectif) à l’aide d’horloges. Une horloge est en
général un système mécanique ou autre siège d’un phénomène périodique (ex: pendule
pesant). Chaque type d’horloge définit une unité de temps (étalon de temps): Le choix de
l’horloge est arbitraire (système d’unités arbitraire).
•Enoncé ambigu: bien que reflétant une certaine rigueur expérimentale, la distinction entre
temps vrai et vulgaire (lié au choix d’une horloge) laisse supposer que les intervalles de
temps mesurés peuvent être affectés par le mécanisme physique précis de l’horloge utilisée.
•La nature objective du temps absolu n’est garantie que par l’existence d’horloges absolues.
Que peuvent-elles être dans un univers vide (où le temps s’écoule!)? Que serait une unité
absolue de temps?
Apport de Newton: espace et temps absolus
Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation
- Œuvre de Newton condensée dans les Principia (Londres 1687, Philosophiae
Naturalis Pincipia Mathematica) et l’Opticks (Londres 1704). Première ébauche des
Principia dans le ‘De Motu’ , réponse à une question posée par Edmund Halley en visite
à Cambridge (1684):
‘Quelle serait la courbe décrite par les planètes si l’on suppose que la force
d’attraction est dirigée vers le soleil et varie en raison inverse du carré de la distance à
celui-ci?’
- Apports et organisation des Principia
* Œuvre innovante: Synthèse des approches mécaniques de Galilée et Huyghens et
unification de la Mécanique terrestre et de la Mécanique céleste : une même loi, la loi de la
gravitation universelle, régit les phénomènes célestes et les phénomènes terrestres.
> Ruine définitive du Cosmos hiérarchisé d’Aristote
* Organisation déductive de l’ouvrage: Enoncé clair des principes de base, mise en place des
outils mathématiques nécessaires aux développements théoriques,
> Fondation de la Mécanique rationnelle
* Subdivision en trois livres: Science du mouvement sans résistance du milieu (frottements),
étude du mouvement dans les milieux opposant ne résistance, résolution de problèmes
astronomiques et physiques (mouvement des planètes, de la Lune, figure de la Terre (étude
de la forme de la surface de la Terre et ses conséquences), théorie des marées, …).
• Corps constitués de points matériels en interaction: introduction de la structure discrète de la
matière. Le point matériel est la préfiguration de l’atome /particule élémentaire de la Physique
moderne.
• Quantité de matière: Masse d’un corps (liée à la densité et au volume).
• Quantité de mouvement: produit de la masse par la vitesse.
• Introduction de la notion d’inertie (‘vis insita’ ): résistance des corps à une accélération liée à
la quantité de matière (masse inerte) et au principe de l’inertie.
• Définition de la force (‘vis impressa’, force imprimée):
‘la force imprimée est une action exercée sur le corps, qui a pour effet de changer son état
de repos ou de mouvement rectiligne et uniforme’
Commentée par Newton ‘Cette force consiste dans l’action seule et elle ne persiste pas dans le
corps dès que l’action vient à cesser. En effet le corps persévère dans son nouvel état par la
seule force d’inertie (vis insita). En outre la force imprimée a des origines diverses, comme le
choc, la pression, la force centripète’
> la force modifie l’état de mouvement des corps (cause du mouvement) et celle-ci a une
origine extérieure au corps (contraire à la conception aristotélicienne)
• Définition de la force centripète: celle par laquelle les corps sont tirés vers quelque point,
comme vers un centre. Newton propose d’identifier diverses forces attractives connues
(gravité terrestre, forces magnétiques (attraction fer-aimant), gravité solaire) à la gravitation.
Affirmation de la force comme principale cause du mouvement.
Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation
- Présentation des 3 livres précédée d’une rubrique dédiée aux définitions et axiomes
- Lois de la mécanique newtonienne
* Principe de l’inertie (énoncé de Huyghens)
* Principe fondamental de la dynamique: ‘le changement de mouvement (accélération) est
proportionnel à la force imprimée et se fait suivant la droite par laquelle cette force est
imprimée’
> Changement de mouvement non clairement défini. Aujourd’hui c’est la
vitesse de variation de la quantité de mouvement.
> Rôle du temps non explicite (mis à part le changement évoqué). Newton est en
fait confronté à un pb mathématique nouveau à l’époque : comment définir la vitesse de
variation d’une quantité à tout instant? Il en propose une solution (le calcul des fluxions,
ancêtre du calcul différentiel moderne, qui sera supplanté par le calcul différentiel de
Leibniz).
> Le cas de plusieurs forces nécessite un principe de composition de celles-ci:
Newton le définit comme un principe de composition des mouvements engendrés par
chacune des forces:
Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation
Règle du parallélogramme, prémisse du
calcul vectoriel moderne
Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation
- 3ème Loi de la mécanique newtonienne
* Principe de l’action et de la réaction: l’action est toujours égale et opposée à la
réaction: c’est-à-dire que les actions mutuelles de deux corps sont toujours égales et
dirigées en sens contraires.
> Assure la conservation de la quantité de mouvement d’un
système matériel isolé (importantes applications aux chocs).
> Les forces centrales vérifient ce principe.
- Théorie de la gravitation universelle: force centrale, attractive proportionnelle à la
quantité de matière des corps (masses) en interaction
- Déduction des lois de Kepler: loi I orbites elliptiques des planètes autour du soleil.
Loi II loi des aires (schéma de gauche). Loi III (schéma de droite)
Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation
- A propos de la masse: le principe d’équivalence
faible. Deux types de masse: la masse pesante
(sensibilité des corps à la gravitation) intervient dans
l’expression de la force gravitationnelle et la masse
inerte (masse invoquée dans la loi de la dynamique).
Les lois de la chute libre de Galilée entraine l’égalité
de ces deux types de masse.
- Mécanique de Newton (lois de Newton) valables dans les
référentiels galiléens (référentiels d’inertie en mouvement de
translation rectiligne et uniforme).
-L’observation des forces permet de distinguer les mouvements
absolus et relatifs
- Exp. du seau de Newton: seau mis en rotation (image de
la rotation propre de la Terre: exp. de Foucault) autour
de son axe.
- 2 situations: le seau tourne dans l’espace absolu
(rotations absolues) ou l’univers tourne autour du seau
fixe (relatif)
- Critère de Newton: présence ou non de forces d’inertie
(forces centrifuges par ex.)
> Distinction réf. galiléens (forces d’inertie absentes) et réf. non
inertiels (forces d’inertie présentes)
- Question complexe qui va hanter la Physique après Newton:
réfutation de cette distinction par Mach (analyse critique de la
mécanique classique (1890)). Origine des forces d’inertie liée à
l’action gravitationnelle des masses lointaines par rapport auxquelles
se fait la rotation. Les mouvements sont toujours relatifs (ont seuls
un sens physique- pas de réf absolus)
Difficultés du système newtonien: l’espace absolu existe-t-il?
Relativité
de Galilée
« Si le ciel était sans cesse couvert de nuages, si nous
n’avions aucun moyen d’observer les astres, nous
pourrions, néanmoins, conclure que la terre tourne ;
nous en serions avertis par son aplatissement, ou bien
encore par l’expérience du pendule de Foucault. Et
pourtant, dans ce cas, dire que la Terre tourne, cela
aurait-il un sens ? S’il n’y a pas d’espace absolu, peut-
on tourner sans tourner par rapport à quelque chose, et
d’autre part comment pourrions-nous admettre la
conclusion de Newton et croire à l’espace absolu ? » (H.
Poincaré, La science et l’hypothèse).
> Importance de la quête du référentiel absolu
pour confirmer ou infirmer l’idée d’espace absolu
Difficultés du système newtonien: l’espace absolu existe-t-il?
Bouzerar meca newton_part1
Lois de la
dynamique de
Newton
Mouvement des particules
Systèmes de particules
en interaction
Gaz, liquides,
solides, …
Une propriété fondamentale de la description classique Le
déterminisme: Tout est donné (ses états futurs comme son
histoire) si l’on connaît la configuration du système à un
instant donné
Idéal newtonien de représentation des
phénomènes
Particules et …
…champs médiateurs
des forces
Ex: Champ de gravitation,
électrique, magnétique, …
Objets localisés
Objets étendus dans
l’espace
Champs = Milieux dotés d’une dynamique propre
Théorie classique
des champs
Ex: Le champ
électromagnétique
de Maxwell
Lois dynamiques:
Equations de
Maxwell
Le Champ = « Matelas à ressorts » 3 D
– Perturbation du champ = déplacement d’un ressort
- Perturbations du Champ se propagent à vitesse finie=Ondes
Ex: Champ EM: Onde EM= Lumière…
De l’optique à l’Electromagnétisme:
genèse du concept de champ
Newton (Opticks, 1702)
particules (couleurs
diverses)
Théorie
corpusculaire:
mécanisation de la
lumière
Forces
réfringentes
Difficultés : solution par la théorie des accès de facile
transmission
…Mais des difficultés insurmontables avec les « interférences »
XIXe siècle : triomphe du modèle
ondulatoire
Young - Fresnel (1822): interférences, diffraction
polarisation : la lumière est une onde transverse de
l’éther
1819 Hans-Christian Oersted
• Oersted découvre la déviation d’une aiguille aimantée en
présence d’un courant électrique.
• Grand retentissement en Europe, Ampère le rencontre à
Genève en 1820 et met au point une théorie de
l’électrodynamique dans les semaines suivantes.
•Propriétés de la force subie par un des « pôles
magnétiques » d’une l’aiguille aimantée et Pierre-Simon
de Laplace (1742-1827) traduit cette loi par une formule
qui porte le nom de Biot et Savart.
•Laplace: formule permettant de calculer la force exercée
sur un fil parcouru par un courant électrique soumis à un
champ magnétique.
A 13 ans, il quitte l'école et se fait engager, à Londres, comme
apprenti relieur. Avide de connaissances, la lecture des livres
qu'il avait à relier le conduit à un article de James Tytler sur
l'électricité dans l'Encyclopaedia Britannica.
1831 Michael Faraday (1791-1867)
En 1833: établit la théorie de l'électrolyse et en définit le vocabulaire.
on lui doit l'usage des mots électrolyte, électrode, anode,
cathode…ainsi que le principe de la galvanoplastie.
Découverte de l’induction électromagnétique
Maxwell (1865): la lumière est une onde
électromagnétique
Unification de l’optique et de l’électromagnétisme –
aboutissement d’une longue histoire….
La lumière est une onde: Une vibration de quelque
chose qui se transmet de proche en proche
Vibrations des tranches
d’air
Bouzerar meca newton_part1
Une onde (EM) peut contenir plusieurs fréquences:
Superposition de mouvements à différentes
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  • 2. M. Clavelin, ‘la philosophie naturelle de Galilée’, Paris, A. Colin 1968 M. Clavelin, ‘Discours concernant 2 sciences nouvelles’, Paris A. Colin 1970 A.Koyre, ‘Etudes galiléennes ’ , Paris Hermann 1939; ‘Du monde clos à l’univers infini’, Tel Gallimard 1973 ; ‘Etudes newtoniennes’, Collection Bibliothèque des idées Gallimard (1968) M. Paty, ‘La philosophie et la Physique’, in Le discours philosophique Ed. J.F.Mattei, encyclopédie philosophique universelle vol.4, PUF Paris 1998 M.Paty, ‘Einstein et la pensée de Newton’, La Pensée Paris n°259 1987 F. Balibar, ‘Galilée, Newton lus par Einstein. Espace et Relativité’, PUF Paris 1984 P. Franck, ‘Einstein : sa vie, son temps ’, Albin Michel 1968 B. Hoffmann, H. Dukas, ‘Albert Einstein, créateur et rebelle ’, Ed. Seuil 1975 A. Einstein, L. Infeld, ‘L’évolution des idées en physique ’, Bibliothèque Payot 1968 J. Allegria, ‘L’espace et le temps aujourd’hui ’, Points Seuil 1983 ‘B. Bensaude-Vincent, C. Kounelis, ‘Les atomes. Une anthologie historique ’, Presses Pocket 1991 ‘W. Heisenberg , ‘Physique et Philosophie ’, Albin Michel 1971 R.P. Feynman ,’La nature des lois physiques ’, coll. Points Sciences Seuil 1980 ‘D. Lecourt , ‘La Philosophie des sciences ’, Que-sais-je ? n°3624 2001 J.M. Levy-Leblond, F. Balibar, ‘Quantique : Rudiments », Intereditions-CNRS 1984 Sven Ortoli, J.P. Pharabod, ‘Le Cantique des quantiques ’, La découverte 1984 Bibliographie
  • 3. La Physique moderne c’est quoi? …en deux mots… •C’est avant tout une façon de voir le monde •Cette représentation s’articule autour de deux éléments essentiels: - L’ Observation (Expérience: Un mode d’interrogation de la Nature) qui fournit des données factuelles (Ex: données sensorielles)condensées en principes - La Théorie: c’est une explication formalisée construite sur la base des principes induits de l’expérience. Cette vision date du XVIIème siècle, initiée par Galilée et Newton….
  • 5. - Prééminence de la méthode expérimentale (nouvelle physique) et l’explication mathématisée - Ruine de la Physique aristotélicienne: invention de la lunette et infirmation de la cosmologie d’Aristote (pas de distinction entre monde sublunaire et supralunaire). Genèse et diffusion de l’idée d’un univers homogène et unification des lois terrestres et célestes. -Publication en 1638 (Leyde) des ‘discours concernant 2 sciences nouvelles’ : L’innovation réside dans le traitement de la science du mouvement (mécanique) et l’introduction d’un nouveau domaine, la résistance des matériaux (approche moderne de la cohésion des corps solides). Renouvellement de la Physique mathématique (mise en ordre du savoir acquis sur le mouvement, induction des principes du mouvement, clarification de la démarche mathématique) - Contrôle expérimental de l’accélération des mouvements (durées de chute): plans inclinés). - Evolution des grandeurs pertinentes (vitesse, accélération) rapportée au temps (et non à l’espace parcouru). - Formulation de la loi de la chute des corps: approche géométrique du mouvement (cinématique des mouvements rectilignes uniformes et uniformément accélérés et composition de ces mouvements; mouvement circulaire). Innovation: Identification de la chute libre à un mouvement uniformément accéléré. Difficulté de cette hypothèse révolutionnaire liée à la diversité sensible des mouvements des corps (effet de la résistance du milieu qui a abusé la physique aristotélicienne) qui occulte toute possibilité d’unification. Apport de Galilée (1564-1642)
  • 6. - Intuition physique du principe de l’inertie. Formulation incomplète par Galilée: idée de conservation du mouvement rectiligne et uniforme en l’absence de causes extérieures d’accélération. - Formulation claire et complète fournie par Huyghens (Horologium oscillatorium, 1673): ‘Si la gravité n’existait pas et qu’aucune résistance d’air ne s’opposait au mouvement des corps, chacun d’eux continuerait son mouvement avec une vitesse uniforme en suivant une ligne droite’ - Formulation rigoureuse par Huyghens du principe de composition des mouvements (composition du mouvement rectiligne et uniforme et d’un de mouvement de chute vertical). - principe de relativité ( dénomination moderne ): constat expérimental non intuitif: les lois de la mécanique restent inchangées dans des référentiels dénommés depuis « galiléens » Il décrit, en se supposant enfermé dans la cabine d'un bateau, des gouttes d'eau tombant une à une d'une bouteille. Peu importe que le bateau soit immobile, ou se déplace à n'importe quelle vitesse pour autant qu'elle soit constante, les mouvements qu'on observerait pour ces gouttes seraient totalement similaires. Apport de Galilée (1564-1642) On pourrait ainsi s'attendre à ce que dans un bateau se déplaçant très vite, les gouttes ne tombent pas verticalement mais suivent un mouvement vers l'arrière. Quelle que soit la vitesse à laquelle le bateau se déplace, pour autant qu'elle soit constante, c'est pourtant une chute bien verticale qui est observée, comme si le bateau était à l'arrêt.
  • 7. Apport de Newton (1642-1727): espace et temps absolus • L’espace et le temps absolus et relatifs. Le mouvement absolu et relatif. - Espace physique=continuum géométrique 3D vide de matière. Indépendance vis-à-vis du contenu matériel (cadre passif). Doté de propriétés géométriques. ‘l’espace absolu, sans relation aux choses externes, demeure toujours similaire et immobile. L’espace relatif est la mesure de l’espace absolu, laquelle tombe sous nos sens par sa relation aux corps et que le vulgaire confond avec l’espace immobile […]. Le lieu est la partie de l’espace occupée par un corps et par rapport à l’espace, il est relatif ou absolu […]. Le mouvement absolu est la translation des corps d’un lieu absolu à un autre et le mouvement relatif est la translation d’un lieu relatif à un autre lieu relatif. * Espace absolu = cadre objectif immobile ( le repos absolu a un sens) assimilé à l’espace de la géométrie d’Euclide. Résurgence du vide de Démocrite. Résidu d’une conception aristotélicienne: le repos est l’état naturel d’un corps. Idée pourtant ruinée par le principe de l’inertie de Galilée. * Espace absolu vide non accessible à nos sens. L’espace perçu est l’espace relatif trahi par l’étendue des corps et les relations de positions entre les corps. Espace relatif seul accessible à la mesure. * Affirmation du caractère objectif du mouvement absolu même si seul le mouvement relatif est accessible à la mesure (et à nos sens). * Espace relatif intimement lié à la notion implicite de corps de référence (référentiel). L’espace absolu nécessite l’existence de corps de référence au repos absolu (référentiels absolus)
  • 8. - Temps = continuum 1D (droite réelle). Indépendance vis-à-vis de la matière et de l’espace: le temps s’écoule même dans un univers vide de matière. ‘le temps absolu, vrai et mathématique, sans relation à rien d’extérieur, coule uniformément et s’appelle durée. Le temps relatif, apparent et vulgaire, est la mesure sensible et externe d’une partie de durée quelconque (égale ou inégale) prise du mouvement: telles sont les mesures d’heures, de jours, de mois etc… dont on se sert ordinairement à la place du temps vrai’ •Distinction entre le temps physique (durée objective) et le temps mesuré (temps relatif). Temps absolu intimement lié à la succession causale d’événements (positions successives d’un corps au cours de son mouvement): l’objectivité du temps absolu manifeste l’objectivité de la causalité. •Le temps relatif est la mesure du temps (objectif) à l’aide d’horloges. Une horloge est en général un système mécanique ou autre siège d’un phénomène périodique (ex: pendule pesant). Chaque type d’horloge définit une unité de temps (étalon de temps): Le choix de l’horloge est arbitraire (système d’unités arbitraire). •Enoncé ambigu: bien que reflétant une certaine rigueur expérimentale, la distinction entre temps vrai et vulgaire (lié au choix d’une horloge) laisse supposer que les intervalles de temps mesurés peuvent être affectés par le mécanisme physique précis de l’horloge utilisée. •La nature objective du temps absolu n’est garantie que par l’existence d’horloges absolues. Que peuvent-elles être dans un univers vide (où le temps s’écoule!)? Que serait une unité absolue de temps? Apport de Newton: espace et temps absolus
  • 9. Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation - Œuvre de Newton condensée dans les Principia (Londres 1687, Philosophiae Naturalis Pincipia Mathematica) et l’Opticks (Londres 1704). Première ébauche des Principia dans le ‘De Motu’ , réponse à une question posée par Edmund Halley en visite à Cambridge (1684): ‘Quelle serait la courbe décrite par les planètes si l’on suppose que la force d’attraction est dirigée vers le soleil et varie en raison inverse du carré de la distance à celui-ci?’ - Apports et organisation des Principia * Œuvre innovante: Synthèse des approches mécaniques de Galilée et Huyghens et unification de la Mécanique terrestre et de la Mécanique céleste : une même loi, la loi de la gravitation universelle, régit les phénomènes célestes et les phénomènes terrestres. > Ruine définitive du Cosmos hiérarchisé d’Aristote * Organisation déductive de l’ouvrage: Enoncé clair des principes de base, mise en place des outils mathématiques nécessaires aux développements théoriques, > Fondation de la Mécanique rationnelle * Subdivision en trois livres: Science du mouvement sans résistance du milieu (frottements), étude du mouvement dans les milieux opposant ne résistance, résolution de problèmes astronomiques et physiques (mouvement des planètes, de la Lune, figure de la Terre (étude de la forme de la surface de la Terre et ses conséquences), théorie des marées, …).
  • 10. • Corps constitués de points matériels en interaction: introduction de la structure discrète de la matière. Le point matériel est la préfiguration de l’atome /particule élémentaire de la Physique moderne. • Quantité de matière: Masse d’un corps (liée à la densité et au volume). • Quantité de mouvement: produit de la masse par la vitesse. • Introduction de la notion d’inertie (‘vis insita’ ): résistance des corps à une accélération liée à la quantité de matière (masse inerte) et au principe de l’inertie. • Définition de la force (‘vis impressa’, force imprimée): ‘la force imprimée est une action exercée sur le corps, qui a pour effet de changer son état de repos ou de mouvement rectiligne et uniforme’ Commentée par Newton ‘Cette force consiste dans l’action seule et elle ne persiste pas dans le corps dès que l’action vient à cesser. En effet le corps persévère dans son nouvel état par la seule force d’inertie (vis insita). En outre la force imprimée a des origines diverses, comme le choc, la pression, la force centripète’ > la force modifie l’état de mouvement des corps (cause du mouvement) et celle-ci a une origine extérieure au corps (contraire à la conception aristotélicienne) • Définition de la force centripète: celle par laquelle les corps sont tirés vers quelque point, comme vers un centre. Newton propose d’identifier diverses forces attractives connues (gravité terrestre, forces magnétiques (attraction fer-aimant), gravité solaire) à la gravitation. Affirmation de la force comme principale cause du mouvement. Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation - Présentation des 3 livres précédée d’une rubrique dédiée aux définitions et axiomes
  • 11. - Lois de la mécanique newtonienne * Principe de l’inertie (énoncé de Huyghens) * Principe fondamental de la dynamique: ‘le changement de mouvement (accélération) est proportionnel à la force imprimée et se fait suivant la droite par laquelle cette force est imprimée’ > Changement de mouvement non clairement défini. Aujourd’hui c’est la vitesse de variation de la quantité de mouvement. > Rôle du temps non explicite (mis à part le changement évoqué). Newton est en fait confronté à un pb mathématique nouveau à l’époque : comment définir la vitesse de variation d’une quantité à tout instant? Il en propose une solution (le calcul des fluxions, ancêtre du calcul différentiel moderne, qui sera supplanté par le calcul différentiel de Leibniz). > Le cas de plusieurs forces nécessite un principe de composition de celles-ci: Newton le définit comme un principe de composition des mouvements engendrés par chacune des forces: Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation Règle du parallélogramme, prémisse du calcul vectoriel moderne
  • 12. Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation - 3ème Loi de la mécanique newtonienne * Principe de l’action et de la réaction: l’action est toujours égale et opposée à la réaction: c’est-à-dire que les actions mutuelles de deux corps sont toujours égales et dirigées en sens contraires. > Assure la conservation de la quantité de mouvement d’un système matériel isolé (importantes applications aux chocs). > Les forces centrales vérifient ce principe.
  • 13. - Théorie de la gravitation universelle: force centrale, attractive proportionnelle à la quantité de matière des corps (masses) en interaction - Déduction des lois de Kepler: loi I orbites elliptiques des planètes autour du soleil. Loi II loi des aires (schéma de gauche). Loi III (schéma de droite) Apport de Newton: Lois de la Mécanique et théorie de la gravitation - A propos de la masse: le principe d’équivalence faible. Deux types de masse: la masse pesante (sensibilité des corps à la gravitation) intervient dans l’expression de la force gravitationnelle et la masse inerte (masse invoquée dans la loi de la dynamique). Les lois de la chute libre de Galilée entraine l’égalité de ces deux types de masse.
  • 14. - Mécanique de Newton (lois de Newton) valables dans les référentiels galiléens (référentiels d’inertie en mouvement de translation rectiligne et uniforme). -L’observation des forces permet de distinguer les mouvements absolus et relatifs - Exp. du seau de Newton: seau mis en rotation (image de la rotation propre de la Terre: exp. de Foucault) autour de son axe. - 2 situations: le seau tourne dans l’espace absolu (rotations absolues) ou l’univers tourne autour du seau fixe (relatif) - Critère de Newton: présence ou non de forces d’inertie (forces centrifuges par ex.) > Distinction réf. galiléens (forces d’inertie absentes) et réf. non inertiels (forces d’inertie présentes) - Question complexe qui va hanter la Physique après Newton: réfutation de cette distinction par Mach (analyse critique de la mécanique classique (1890)). Origine des forces d’inertie liée à l’action gravitationnelle des masses lointaines par rapport auxquelles se fait la rotation. Les mouvements sont toujours relatifs (ont seuls un sens physique- pas de réf absolus) Difficultés du système newtonien: l’espace absolu existe-t-il? Relativité de Galilée
  • 15. « Si le ciel était sans cesse couvert de nuages, si nous n’avions aucun moyen d’observer les astres, nous pourrions, néanmoins, conclure que la terre tourne ; nous en serions avertis par son aplatissement, ou bien encore par l’expérience du pendule de Foucault. Et pourtant, dans ce cas, dire que la Terre tourne, cela aurait-il un sens ? S’il n’y a pas d’espace absolu, peut- on tourner sans tourner par rapport à quelque chose, et d’autre part comment pourrions-nous admettre la conclusion de Newton et croire à l’espace absolu ? » (H. Poincaré, La science et l’hypothèse). > Importance de la quête du référentiel absolu pour confirmer ou infirmer l’idée d’espace absolu Difficultés du système newtonien: l’espace absolu existe-t-il?
  • 17. Lois de la dynamique de Newton Mouvement des particules Systèmes de particules en interaction Gaz, liquides, solides, … Une propriété fondamentale de la description classique Le déterminisme: Tout est donné (ses états futurs comme son histoire) si l’on connaît la configuration du système à un instant donné
  • 18. Idéal newtonien de représentation des phénomènes Particules et … …champs médiateurs des forces Ex: Champ de gravitation, électrique, magnétique, … Objets localisés Objets étendus dans l’espace
  • 19. Champs = Milieux dotés d’une dynamique propre Théorie classique des champs Ex: Le champ électromagnétique de Maxwell Lois dynamiques: Equations de Maxwell Le Champ = « Matelas à ressorts » 3 D – Perturbation du champ = déplacement d’un ressort - Perturbations du Champ se propagent à vitesse finie=Ondes Ex: Champ EM: Onde EM= Lumière…
  • 20. De l’optique à l’Electromagnétisme: genèse du concept de champ
  • 21. Newton (Opticks, 1702) particules (couleurs diverses) Théorie corpusculaire: mécanisation de la lumière Forces réfringentes Difficultés : solution par la théorie des accès de facile transmission
  • 22. …Mais des difficultés insurmontables avec les « interférences »
  • 23. XIXe siècle : triomphe du modèle ondulatoire Young - Fresnel (1822): interférences, diffraction polarisation : la lumière est une onde transverse de l’éther
  • 24. 1819 Hans-Christian Oersted • Oersted découvre la déviation d’une aiguille aimantée en présence d’un courant électrique. • Grand retentissement en Europe, Ampère le rencontre à Genève en 1820 et met au point une théorie de l’électrodynamique dans les semaines suivantes. •Propriétés de la force subie par un des « pôles magnétiques » d’une l’aiguille aimantée et Pierre-Simon de Laplace (1742-1827) traduit cette loi par une formule qui porte le nom de Biot et Savart. •Laplace: formule permettant de calculer la force exercée sur un fil parcouru par un courant électrique soumis à un champ magnétique.
  • 25. A 13 ans, il quitte l'école et se fait engager, à Londres, comme apprenti relieur. Avide de connaissances, la lecture des livres qu'il avait à relier le conduit à un article de James Tytler sur l'électricité dans l'Encyclopaedia Britannica. 1831 Michael Faraday (1791-1867) En 1833: établit la théorie de l'électrolyse et en définit le vocabulaire. on lui doit l'usage des mots électrolyte, électrode, anode, cathode…ainsi que le principe de la galvanoplastie. Découverte de l’induction électromagnétique
  • 26. Maxwell (1865): la lumière est une onde électromagnétique Unification de l’optique et de l’électromagnétisme – aboutissement d’une longue histoire….
  • 27. La lumière est une onde: Une vibration de quelque chose qui se transmet de proche en proche Vibrations des tranches d’air
  • 29. Une onde (EM) peut contenir plusieurs fréquences: Superposition de mouvements à différentes fréquences Séparation des composantes (fréquences)= Décomposition spectrale Addition de composantes à différentes fréquences= synthèse