Wahab Diop Physique WTL LSLL

1
COURS DE PHYSIQUE TERMINALE L2
M. WAHAB
DIOP
Notes de Cours |Serigne Abdou Wahab Diop

1
M. Wahab Diop| Lyce Seydina Limamou Laye | http://physiquechimie.sharepoint.com
(C) Wahab Diop
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Rappels et complments (classe de 1re)
Table des matires

Rappels et complments (classe de 1re) ........................................................................................ 6
I.
nergie ......................................................................................................................................... 6
1.
Notion d nergie ..................................................................................................................... 6
2.
Les diffrentes sources d nergie ........................................................................................... 6
3.
Expression de quelques formes d nergie .............................................................................. 7
4.
Conversions d nergie ............................................................................................................. 7
II.
Quelques notions indispensables ................................................................................................ 7

1.
Intensit du courant ................................................................................................................ 7
2.
Diffrence de potentiel (d.d.p.) ou tension lectrique ........................................................... 7
3.
Puissance lectrique ................................................................................................................ 8
4.
nergie mise en jeu ................................................................................................................. 8
Production, transport et utilisation de l lectricit ......................................................................... 9

Les alternateurs ........................................................................................................................... 9
I.
1.
Principe de l alternateur.......................................................................................................... 9
2.
Quelques dfinitions ............................................................................................................... 9
3.
Puissance et rendement d un alternateur .............................................................................. 9
II.
Les transformateurs .................................................................................................................. 10

1.
Constitution ........................................................................................................................... 10
2.
Symbole d un transformateur ............................................................................................... 10
3.
Fonctionnement et rle d un transformateur....................................................................... 10
4.
Puissance et rendement d un transformateur ...................................................................... 11
III.
Production et transport de l lectricit ................................................................................. 11
1.
Production de l lectricit: centrales lectriques ................................................................. 11
2.
Transport de l lectricit ....................................................................................................... 13
3.
Rle du transformateur dans le transport de l lectricit .................................................... 14
IV.
Utilisation domestique .......................................................................................................... 14
1.
Installation domestique......................................................................................................... 14
2.
Facturation: Exercice: Bac 2010 ............................................................................................ 15
3.
Danger du courant lectrique ............................................................................................... 16
nergie nuclaire: raction spontanes, fusion et fission ............................................................... 26

I.
Le noyau .................................................................................................................................... 26
1.
Caractristiques du noyau ..................................................................................................... 26
2.
Notion d isotopie ................................................................................................................... 26
M. Wahab Diop Lyce Seydina Limamou Laye http://physiquechimie.sharepoint.com
(C) Wahab Diop
II.
Le rapport entre masse et nergie. ........................................................................................... 27

1.
Dfaut de masse: cohsion des noyaux atomiques .............................................................. 27
2.
La thorie d Einstein .............................................................................................................. 27
3.
Unit de masse atomique (u) et nergie ............................................................................... 27
4.
nergie de cohsion (liaison) d'un noyau .............................................................................. 28
5.
nergie de liaison par nuclon .............................................................................................. 29
III.
Radioactivit .......................................................................................................................... 29
1.
Dfinition ............................................................................................................................... 29
2.
Lois de conservation: lois de Soddy....................................................................................... 29
3.
Les divers types de radioactivit. .......................................................................................... 29
IV.
Ractions nuclaires provoques: fission et fusion. ............................................................. 32
1.
La fission ................................................................................................................................ 32
2.
La fusion ................................................................................................................................ 33
3.
nergie libre lors d'une raction nuclaire ....................................................................... 34

Dcroissance radioactive ........................................................................................................... 34
V.
1.
Caractre alatoire ................................................................................................................ 34
2.
Priode radioactive ou demi-vie ........................................................................................... 34
3.
Loi de dcroissance ............................................................................................................... 35
4.
Activit radioactive ................................................................................................................ 35
VI.
Les applications civiles des ractions nuclaires. .................................................................. 36
1.
Bombe atomique ................................................................................................................... 36
2.
Centrale nuclaire ................................................................................................................. 36
3.
Bombes thermonuclaires .................................................................................................... 36
4.
nergie stellaire ..................................................................................................................... 37
5.
Effets biologiques de la radioactivit .................................................................................... 37
6.
Datation ................................................................................................................................. 37
7.
Marquage isotopique en biologie et mdecine .................................................................... 38
Gnralits sur les signaux et ondes mcaniques .......................................................................... 45

I.
Gnralits ................................................................................................................................ 45
1.
Signal ou perturbation d un milieu au repos......................................................................... 45
2.
Dfinitions ............................................................................................................................. 45
3.
Nature dune onde mcanique .............................................................................................. 46
II.
Proprits gnrales des ondes mcaniques progressives. ...................................................... 47

1.
Direction de propagation ...................................................................................................... 47
(C) Wahab Diop
2.
Clrit de l'onde. ................................................................................................................. 47
3.
Croisement de deux ondes. ................................................................................................... 47
III.
Onde progressive priodique une dimension: ................................................................... 48
1.
Rappels sur le mouvement priodique ................................................................................. 48
2.
tude exprimentale ............................................................................................................. 48
3.
Priodicit temporelle T ........................................................................................................ 48
4.
Priodicit spatiale ............................................................................................................. 49
5.
Relation entre priode T et longueur d'onde ..................................................................... 49
6.
Points vibrants en phase points vibrants en opposition de phase ..................................... 49
IV.
Cas des ondes deux ou trois dimensions ......................................................................... 50
1.
Ondes la surface de l'eau .................................................................................................... 50
2.
Ondes sonores ....................................................................................................................... 50
V.
Rflexion, rfraction, diffraction ............................................................................................... 50

1.
Rflexion et rfraction la surface de l eau.......................................................................... 50
2.
Diffraction d'une onde progressive sinusodale .................................................................... 51
3.
Interfrences mcaniques ..................................................................................................... 52
Aspect ondulatoire de la lumire. .................................................................................................. 57

I.
Gnralits ................................................................................................................................ 57
1.
Sources lumineuses ............................................................................................................... 57
2.
Classification des milieux matriels....................................................................................... 57
3.
Propagation rectiligne de la lumire ..................................................................................... 57
4.
Rayon et faisceau lumineux................................................................................................... 58
II.
Rflexion, rfraction et diffraction de la lumire ...................................................................... 58

1.
Rflexion de la lumire .......................................................................................................... 58
2.
La rfraction de la lumire .................................................................................................... 59
3.
Diffraction de la lumire ........................................................................................................ 60
III.
Modle ondulatoire de la lumire......................................................................................... 61
1.
Propagation ........................................................................................................................... 61
2.
Les priodicits ...................................................................................................................... 62
IV.
Couleur et longueur d'onde .................................................................................................. 62
1.
LUMIERE MONOCHROMATIQUE .................................................................................................. 62
2.
LUMIERE VISIBLE ....................................................................................................................... 62
V.
Interfrences lumineuses : Exprience de la double fente de Young ....................................... 63

1.
MISE EN EVIDENCE DES INTERFERENCES LUMINEUSES ................................................................... 63
(C) Wahab Diop
2.
OBSERVATIONS ......................................................................................................................... 63
3.
INTERPRETATION THEORIQUE ..................................................................................................... 63
Aspect corpusculaire de la lumire ; Dualit onde-corpuscule ....................................................... 66

Mise en vidence de leffet lectrique ...................................................................................... 66
I.
1.
Exprience de Hertz (1887) ................................................................................................... 66
2.
Analyse de lexprience ......................................................................................................... 66
3.
Conclusion ............................................................................................................................. 66
4.
Cas de la cellule photolectrique .......................................................................................... 67
II.
Interprtation de leffet photolectrique ................................................................................. 67

1.
Hypothse dEinstein ............................................................................................................. 67
2.
Seuil photolectrique ............................................................................................................ 67
III.
Dualit onde corpuscule ........................................................................................................ 68
(C) Wahab Diop

I.
nergie
1. Notion d nergie
L nergie est la capacit qu a un corps de produire du travail. Longtemps l Homme n a utilis que son
nergie musculaire et celle des animaux pour se dplacer, effectuer du travail, fabriquer des objets.
La chaleur libre par la combustion du bois lui permet de se chauffer et transformer la matire:
cuisson des aliments et des poteries, mtallurgie.
Trs tt, il inventa des machines pour rendre ces travaux moins pnibles: machine vapeur, moteur
explosion, moteur lectrique.
Pour toutes ses activits et pour faire fonctionner ces machines, l Homme a besoin d nergie qu il
puise diffrentes sources.
2. Les diffrentes sources d nergie
a) Les sources fossiles

Le charbon: Il y a des millions dannes, des forts entires ont t enfouies sous la mer, puis
recouvertes par des sdiments. Les vgtaux se sont alors trs lentement transforms, labri de
lair, en une roche noire, riche en carbone C ;
Ptrole: Le ptrole rsulte de la dcomposition, sous laction de bactries, temprature et
pression leves, de substances organiques (plancton et micro-organismes) accumules au fond
des mers il y a environ 60 millions dannes. Le liquide sombre et visqueux qui en rsulte t
pig par des roches impermables. Il est essentiellement constitu de molcules formes
exclusivement datomes de carbone et datomes dhydrogne : les hydrocarbures.
La gaz naturel: il est constitu dhydrocarbures gazeux, constitus essentiellement de mthane
CH4 mais aussi dthane C2H6, de propane C3H8 et de butane C4H10. Il accompagne souvent le
ptrole car il sest form dans les mmes conditions que ce dernier. Limportance relative du gaz
ou du liquide dpend du gisement.
b) Les sources nuclaires

La principale source d nergie nuclaire est l uranium, utilis dans les centrales nuclaire sous forme
d oxyde d uranium (UO2).
c) Les sources renouvelables
Le rayonnement solaire nergie solaire); le vent (nergie olienne); la biomasse (la matire animale
et vgtale, susceptible de fournir de l nergie, constitue la biomasse); la gothermie (eau chaude
dans le sous-sol de certaines rgions comme l Islande)
(C) Wahab Diop
3. Expression de quelques formes d nergie

1
nergie cintique (lie la vitesse): Ec
mV 2 o m (kg) masse du solide; V(ms-1) vitesse
2
nergie potentielle de pesanteur (lie la position par rapport la terre): Ep
mgz o z(m)
-1
position de l objet; m(kg) masse et g=9,81 Nkg intensit de la pesanteur.

1
nergie mcanique ou nergie totale: Em EC Ep
mV 2 mgz
2
Units: dans le systme international d units, une nergie est mesure en Joule (symbole: J). on
emploie aussi d autres units comme:
-
le kilowattheure (symbole kWh)

1 kWh
1000W 1h
1 kWh
1000W 3600s
3,6106 J
3,6106 J
La tonne-quivalent-ptrole (symbole: tep)

1 tep = 4,2 1010 J
4. Conversions d nergie
L'nergie ne peut tre ni cre ni gnre, elle ne peut tre convertie d'une forme une autre. Une
conversion d'nergie est le passage d une forme d nergie donne une autre.
-
Combustion du bois: conversion de l nergie chimique en nergie calorifique

Mouvement horizontale d une voiture: conversion de l nergie chimique en nergie cintique.
Panneau solaire: conversion de l nergie solaire en nergie lectrique
II.
Quelques notions indispensables
1. Intensit du courant
C est le dbit de charges dans un circuit: si la charge q, traverse le circuit pendant la dure t,
l intensit, suppose constante du courant est donne par:
I
q
o I(A) l intensit en Ampre; q(C) la charge en coulomb; t(s) la dure en seconde
t
On a aussi q
N | e | o N est le nombre d lectrons et e la charge
lmentaire de valeur e
1,610
19
L intensit du courant lectrique est mesure l aide d un ampremtre

toujours branch en srie avec le diple tout en respectant les polarits.
100
2. Diffrence de potentiel (d.d.p.) ou tension lectrique

La tension entre deux point A et B d un circuit se mesure avec un voltmtre branch en drivation
(parallle) not UAB ou U. Elle s exprime en volt (symbole: V)
(C) Wahab Diop

G
V
100
3. Puissance lectrique
a) En courant continu
Un diple de bornes A et B, parcouru par un courant circulant de A vers B d intensit I, reoit une
puissance lectrique dfinie par:
UI o I(A); U(V) et (W). L unit de puissance est le Watt
b) En courant alternatif
L intensit et la tension correspondant un courant alternatif sont variables en grandeur et en signe
(donc en sens pour l intensit) au cours du temps.
Si elles se reproduisent identiquement elles mme toutes
les T secondes, le courant est priodique et de priode T(s).
Le phnomne est aussi caractris par la frquence N ou f,
1
inverse de priode: N f
; N s exprime en Hertz (Hz)
T
et la priode en seconde (s)
Remarque: en courant alternatif, les appareils de mesure
indiquent une valeur dite efficace de la grandeur mesure.
k UI o U(V) tension efficace; I(A) intensit efficace et k = facteur de puissance (0
4. nergie mise en jeu
Si un diple reoit une puissance constante
pendant une dure t, le produit
1)
t reprsente
l nergie transfre au diple.

E
t o W(J); (W) et t(s)
Autres unit d nergie:

-
L lectron volt (eV)

1eV
1 1,6.10
19
1V
1,6.10
19
1eV
1,6.10
19
Le mga lectron volt (MeV)

1 MeV
1.106 1,6.10
19
1V
1,6.10
13
1 MeV
1,6.10
13
(C) Wahab Diop
Production, transport et utilisation de l lectricit

I.
Les alternateurs
1. Principe de l alternateur
a) Exprience
Relions les bornes d une bobine (enroulement
de fil de conducteur) celle d un oscilloscope.
Faisons l'osciller (mouvement de va et de vient)
devant l un ou l autre des ples d un aimant.
Nous observons l apparition d une tension
alternative priodique sur l cran de
l oscilloscope si la bobine tourne d un
mouvement uniforme.
On obtient le mme rsultat si on fait tourner
l aimant autour de la bobine.
Au cours de cette exprience nous avons reproduit ce qui se passe dans lalternateur vlo.
b) Conclusion
En prsence d un aimant en mouvement de rotation, une bobine se comporte comme un gnrateur
de tension alternative: c est le phnomne d induction lectromagntique.
2. Quelques dfinitions
Un alternateur est un convertisseur d nergie mcanique en nergie lectrique. Il comporte une
partie mobile appele le rotor (ici bobine) et une partie fixe appele le stator (ici aimant).
La bobine aux bornes de la quelle apparat la tension alternative est appele induit.
L aimant l origine du phnomne d induction est appel inducteur.
Le courant qui parcourt la bobine est appel courant induit.
3. Puissance et rendement d un alternateur
Un alternateur est caractris par sa puissance apparente
UI ;
as
exprime en
voltampre (symbole: V.A): U en volt et I en ampre.
(C) Wahab Diop
Production, transport et utilisation de llectricit
La puissance moyenne lectrique

e
soit
effectivement dlivre par un alternateur est dfinie par:
kUI, k est le facteur de puissance (k
Le rendement nergtique
m
1)
des alternateurs est le rapport de la puissance lectrique moyenne
et de la puissance mcanique
m:
Le rendement est toujours infrieur 1 et s'exprime sans unit.

Puissance mcanique PM
Puissance moyenne Pm
Alternateur
Puissance perdue PP
Remarque: les rendements nergtiques des alternateurs sont gnralement voisins de 0,95, soit
95%.
II.
Les transformateurs
1. Constitution
Un transformateur simple se compose de deux bobines trs rapproches mais lectriquement isoles
l une de l autre. Elles sont enroules sur une carcasse de fer feuillet et constituent un circuit
d entre appel circuit primaire et un circuit de sortie dit circuit secondaire.
2. Symbole d un transformateur
Un transformateur possde deux types de reprsentations, une normalise et une autre non
normalise.
Primaire
Schma non normalis
Secondaire
Schma normalis
3. Fonctionnement et rle d un transformateur

I2
I1
U1
U2
Primaire
Secondaire
Si N1 est le nombre de spires du primaire et N2 le nombre de spires du secondaire, la mesure des

tensions efficaces U1 et U2 respectivement aux bornes du primaire et du secondaire permet d tablir
la relation:
U2
U1
10
N2
N1
m o m est le rapport de transformation
(C) Wahab Diop
10
11
Si m
N2
N1
U2
U 1: le transformateur est survolteur ou lvateur de tension
Si m
N2
N1
U2
U 1: le transformateur est sousvolteur ou abaisseur de tension.
Remarque:
-
Un transformateur dlivre au secondaire une tension sinusodale de mme frquence, mais de

valeur efficace diffrente de celle qui lui est applique au primaire.
Un transformateur ne fonctionne pas en courant continu.
4. Puissance et rendement d un transformateur
L enroulement primaire, alimente par une tension de valeur efficace U1, est parcouru par un
courant I1. Il reoit la puissance 1 telle que: 1 k1U1I1 (k1 1)
L enroulement secondaire fournit la puissance
Par dfinition le rendement du transformateur s crit:
telle que
k2U2I2 (k2
2
2
2)
(les rendements peuvent
atteindre 95%)
1
Alternateur
Remarque: pour un transformateur idal: On a :

1
III.
Alternateur
et k1
k2
1 d o
U2
U1
I1
I2
N2
N1
Production et transport de l lectricit

1. Production de l lectricit: centrales lectriques
L lectricit est produite dans les centrales lectriques o une turbine maintient en mouvement le
rotor d un alternateur. L ensemble turbine-alternateur transforme l nergie mcanique (lie au
dplacement d un fluide) en nergie lectrique.
Une centrale lectrique fonctionne grce :
- un rservoir dnergie dite primaire qui sera transforme en nergie mcanique,
- une turbine qui possde de lnergie mcanique du fait de son mouvement de rotation (sauf
centrale olienne),
- un alternateur qui convertit lnergie mcanique de la turbine en nergie lectrique.
11
(C) Wahab Diop
a) Centrale hydrolectrique: Coupe d une centrale hydrolectrique
b) Centrale thermique
Dans une centrale thermique, la turbine de l alternateur est entrane par de la vapeur d eau
La chaleur produite dans la chaudire par la combustion du charbon, gaz ou autre, vaporise de l'eau.
Cette vapeur d'eau est alors transporte sous haute pression et sous haute temprature vers une
turbine. Sous la pression, les pales de la turbine se mettent tourner. L'nergie thermique est donc
transforme en nergie mcanique. Celle-ci sera, par la suite, transforme son tour en nergie
lectrique via un alternateur. A la sortie de la turbine, la vapeur est retransforme en eau
(condensation) au contact de parois froides pour tre renvoye dans la chaudire o le cycle
recommence.
Les centrales thermiques polluent par les dgagements de dioxyde de carbone (CO2), doxydes
dazote (NO, NO2) et de soufre (S) responsables des pluies acides ou de leffet de serre.
12
(C) Wahab Diop
12
13
c) Centrale nuclaire
Le mode de fonctionnement est identique la centrale thermique si ce nest que la chaleur est
produite par des ractions de fission au cur du racteur. En fait la diffrence est que cette source
de chaleur ncessite imprativement un confinement (isolation totale du milieu extrieur) pour
viter un contact, entre le circuit primaire et le circuit secondaire, qui contaminerait toute la centrale
en lments radioactifs.
Les centrales nuclaires produisent des matriaux de fission prsentant un niveau de radioactivit
important et qui ne diminue que faiblement au cours du temps.
2. Transport de l lectricit
a) Problmes soulevs par le transport
Le transport doit se faire avec le moins de pertes possibles or une ligne lectrique aussi parfaite soitelle, n a jamais une rsistance nulle. D aprs la loi de Joule, une ligne de rsistance R, cre une chute
de tension en ligne U RI. La puissance joule dissipe (perdue) sous forme de chaleur dans la ligne
est
UI
RI 2
b) Solution adopte
La puissance d entre de la ligne est
p
Rligne I12
Rligne
U1I1 (pour k1
e
U12
Rligne
1) et la puissance perdue sur la ligne est
U1
e
2
p
Rligne
U1
Ainsi pour minimiser les pertes, il faut utiliser des tensions les plus leves possibles et des lignes de
rsistance minimale. C est pourquoi on transporte le courant alternatif sous de trs haute tension ou
THT de (225 kV ou 400 kV). Les lignes haute tension ou HT (90 kV et 63 kV) assurent la distribution
rgionale et alimentent certaines entreprises de grandes consommatrices d nergie. Les lignes
basses tension ou BT (380V et 220V) assurent la distribution vers les usagers domestiques
(particuliers).
13
(C) Wahab Diop
3. Rle du transformateur dans le transport de l lectricit
10 kV
Transformateur
24 kV
survolteur
225 kV
Centrale lectrique
400 kV
63 kV
Transformateur
90 kV
sousvolteur
220 V
400 V
20 kV
Sous-station :
producteur au consommateur
Trajet de l lectricit duTransformateur
IV.
Utilisation domestique
1. Installation domestique
Tous les appareils sont monts en parallle
14
(C) Wahab Diop
14
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2. Facturation: Exercice: Bac 2010

1) Aprs production au niveau de la centrale, llectricit fournie par la Socit nationale
dlectricit du Sngal Snlec est transporte haute tension sur de trs longues distances
par des cbles mais elle est utilise domestique basse tension.
a) Expliquer pourquoi le courant lectrique est transport haute tension de la centrale de
production vers les utilisateurs.
b) Utilise-t-on un transformateur abaisseur de tension ou lvateur de tension au sortir de la
centrale lectrique?
2) La facture dlectricit dlivre par la Snlec est calcule sur la base de la quantit dnergie
lectrique consomme par lutilisateur et mesure par le compteur lectrique.
A titre dexemple, la facture dlectricit dun goorgoorlu se prsente comme suit :
a) Sur la facture, lnergie lectrique consomme est exprime en kWh.

- Rappeler le nom et le symbole de lunit dnergie dans le Systme International (SI)
- Convertir 1 kWh en unit SI.
b) Quelle est la consommation totale du goorgoorlu en kWh et quel est le montant en C.F.A
quil doit, hors taxe ? Recopier le tableau et y reporter les valeurs trouves.
c) Ce goorgoorlu doit en outre payer une taxe communale qui slve 2,5 % du montant hors
taxe, une redevance qui slve 920 F et la taxe sur la valeur ajoute (T.V.A) dont le
montant est 18 % hors taxe. Calculer la somme nette que ce goorgoorlu doit la Senelec.
Rponses:
1)
a) Le courant lectrique est transport haute tension de la centrale de production vers les
utilisateurs pour minimiser les pertes dnergie par effet joule.
b) On utilise un transformateur lvateur de tension au sortir de la centrale lectrique.
2)
a) Nom de lunit SI dnergie = joule, symbole : J; 1 kWh = 103 Wh = 3600.103 J = 3600 kJ
b) La consommation totale du goorgoorlu en kWh et le montant en C.F.A quil doit, hors
taxe.
Il consomme 362 kWh et doit 40390 F CFA en hors taxe.

15
(C) Wahab Diop
c) Somme due la Snlec = montant hors taxe + taxe communale+ redevance + TVA
= 40390 + 1009,75 + 920 + 7270,2 = 49589,95 FCFA
3. Danger du courant lectrique
a) Le court-circuit :
On cre un court-circuit en reliant, accidentellement ou pas lentre ou la sortie dun appareil
lectrique.
Exemple de court-circuit : On relie le + et le dune pile avec de la paille de fer trs fine.
La paille de fer chauffe, rougit, puis se met brler.

Il peut se passer la mme chose la maison, si on relie les deux bornes dune prise lectrique, ou si
deux fils lectriques se touchent accidentellement. Les fils, tant traverss par une trop grande
quantit de courant, deviennent trs chauds et linstallation peut brler. On peut mettre le feu chez
soi.
b) Les surintensits :
Une surintensit apparat si on branche trop dappareils sur la mme prise lectrique (prise multiple).
Les fils, devant laisser passer trop de courant, schauffent et linstallation peut prendre feu.
c) Llectrocution :
Ne pas toucher un fil dnud. Ne pas approcher les mains mouilles dun appareil lectrique ou dun
interrupteur. Ne pas envoyer deau sur un circuit lectrique.
A la maison, le fil reli la phase possde une tension de 230 volts ! Le seul remde contre
llectrocution est lattention : ne soyez pas tte en lair
Attention! Il ne faut jamais toucher une personne qui slectrocute sans avoir arrt le courant au
niveau du compteur lectrique. Sinon, on slectrocute soi-mme son contact.
A la maison, le fil reli la phase possde une tension de 220 volts ! Le seul remde contre
llectrocution est lattention : ne soyez pas tte en lair
o Premier type daccident :
Le courant entre par un doigt, traverse la main et ressort par lautre doigt.
(Les prises modernes sont quipes dclipses pour viter cet accident.)
Cest dangereux, car on se brle la main.
o Deuxime type daccident, plus grave :
On ne touche que la phase. Le courant traverse le bras, le corps et revient
la centrale par le sol.
Cest laccident le plus dangereux, car le cur, sur le trajet du courant,
peut sarrter.
d) Protection des personnes
La prise de terre est relie au sol.
Si un appareil mtallique est dfectueux, la prise de Terre dvie le courant
16
(C) Wahab Diop
16
17
vers le sol.
Supposons que la machine laver soit dfectueuse : la phase est prsente par accident sur les parties
mtalliques accessibles. Si nous touchons la machine laver, le courant lectrique traverse notre
corps et revient la centrale de la SENELEC par le sol. Nous sommes lectrocuts.
Normalement, la machine laver possde une prise de terre relie au sol. Le courant lectrique
schappe par cette prise de terre. Le courant lectrique qui revient de la machine laver par le
neutre est moins fort que le courant qui est arriv la machine par la phase. Le disjoncteur
diffrentiel, qui compare le courant qui arrive dans linstallation au courant qui repart de
linstallation saperoit de la perte dlectricit. Le disjoncteur diffrentiel coupe alors le courant
lectrique.
Le disjoncteur diffrentiel ayant ouvert le circuit lectrique, le risque dlectrocution disparat.
17
(C) Wahab Diop
Si le courant qui sort de linstallation est plus faible que celui qui y est entr, le disjoncteur
diffrentiel coupe le courant. Le disjoncteur diffrentiel vite une lectrocution possible. Il ne faut
jamais toucher une personne qui slectrocute sans avoir arrt le courant au niveau du compteur
lectrique. Sinon, on slectrocute soi-mme son contact.
Exercices sur la production et

le transport de l'lectricit
Exercice 1 :
Complter les phrases suivantes :
1) Lnergie cintique dun corps de masse m se dplaant la vitesse v est Ec =.
2) Lnergie potentielle de pesanteur dun corps de masse m et situ laltitude z est Ep =
3) Lunit dnergie est le de symbole
4) Lnergie lectrique consomme par un appareil est donne par la relation E =.
5) Lnergie lectrique est souvent exprime en wattheure, donner lquivalent du wattheure en
joule. 1 KWh =..J
6) Lnergie ne peut tre ni ni; elle ne peut qutre dune forme une autre.
7) On appelle rendement dun dispositif de transformation dnergie, le .de lnergie quil
..par lnergie qui lui a t ..dans le mme temps.
8) Un rendement est toujours ... .et sexprime sans.par un nombre ou un
Exercice 2 :
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Quel est le principe fondamental de la production dun courant alternatif ?

Quelle est la provenance de lnergie lectrique fournie par un alternateur ?
Que devient la majeure partie de lnergie consomme par une centrale thermique ?
Pourquoi utilise-t-on des lignes trs haute tension pour transporter lnergie lectrique ?
Quest-ce quun transformateur ?
Quels sont les ordres de grandeur des rendements dune centrale hydraulique et dune centrale
thermique ?
18
(C) Wahab Diop
18
19
7) Un aimant en mouvement devant un circuit ferm provoque dans ce circuit le passage dun
courant lectrique. Comment appelle-t-on ce phnomne ?
8) Quel est le rle en termes de conversion dnergie,
Dun moteur lectrique?
Dun racteur nuclaire?
Dune turbine?
Dun panneau solaire?
Exercice 3 : Complter les phrases suivantes
1) Un aimant en mouvement devant une bobine dont les bornes sont relies un milliampremtre
provoque le passage dun courant lectrique. Ce phnomne est appel.et le courant mis en
vidence est appel
2) Un alternateur est un gnrateur de .alternatif. Il transforme de lnergieen nergie
3) On trouve dans lalternateur une partie fixe appele .et une partie mobile appele.
4) Dans une centrale lectrique, lnergie .est convertie en nergie..grce une.
quentrane elle-mme un.
5) A la sortie dune on lve la tension. Afin de limiter les par effet . ; lnergie
lectrique estpar des lignes de..
6) Le phnomne d.lectromagntique est lorigine du fonctionnement des..et des
7) Un alternateur convertit de lnergie en nergie
Exercice 4:
Le primaire dun transformateur T intgr dans un poste souder larc comporte 2000 spires. Il est
aliment sous une tension efficace U=230V. Le rapport de transformation est m=0,01.
1) Dterminer le nombre de spires du secondaire.
2) Calculer la valeur efficace de la tension obtenue aux bornes du secondaire.
3) Le primaire du transformateur T est parcouru par un courant dintensit efficace I=2,5A.
Calculer lintensit efficace du courant obtenu au secondaire.
4) On admet que le transformateur T est parfait.
a) Indiquer ce qui caractrise un transformateur parfait.
b) Calculer la puissance apparente du transformateur T.
Exercice 5:
1) Le dplacement dun aimant par rapport une bobine dont les bornes sont relies un
microampremtre produit un courant lectrique : cest le phnomne
2) Un transformateur est un dispositif qui permet, suivant sa conception et son utilisation, dlever
ou dabaisser une .
3) Lalternateur est une application du phnomne d.. son principe repose sur la rotation
dun . devant une bobine fixe que lon dsigne par ..
4) En rgime sinusodal, la . est le produit de la tension efficace et de lintensit efficace.
5) Un transformateur ne fonctionne pas en .
Exercice 6:
Un spot halogne est aliment par un transformateur branch sur une prise de courant.
Entre 240 V
19
12 V Sortie
(C) Wahab Diop
1) la sortie, par combien la tension a-t-elle t divise ?

2) Calculer le nombre de spires au secondaire si le primaire comporte 4500 spires.
3) On alimente le secondaire avec une tension efficace de 8 V. Quelle est la tension efficace au
primaire ?
Exercice 7:
Un transformateur comporte deux bobines : lune de 10000 spires, lautre de 200 spires.
1) Quel est le primaire si on dsire lever une tension ? Si on impose au primaire une tension de
100V, quelle est celle obtenue aux bornes du secondaire ?
2) Sur le primaire de ce transformateur on branche une tension continue de 12 V. Calculer la
tension correspondant au circuit secondaire ?
Exercice 8:
1) Un . transforme de en et en nergie thermique.
2) Une nergie est une nergie considre comme notre chelle (
l'chelle humaine)
3) Le dun au voisinage dune (ou linverse), produit une
(dont la valeur change au cours du temps).
4) Un produit une tension .
5) la sortie des lectriques, on la tension l'aide d'un afin de
rduire les en lors du .
6) Une olienne permet dobtenir de lnergie lectrique partir de lnergie fournie par le
.
7) Lalternateur permettant de rcupr de llectricit est constitu dun et dun
. Cest le phnomne de qui permet de produire de llectricit
Exercice 9:
Le transformateur abaisseur est monophas 230V / 30V. Sa puissance apparente nominale est
Pa = 8,0 KVA.
1) Dterminer les intensits I1 au primaire et I2 au secondaire.
2) Calculer le rapport de transformation m.
3) La mesure de la puissance lectrique au primaire indique P1 = 7,0 kW quand le transformateur
absorbe son courant I1.
a) Calculer le facteur de puissance k1.
b) On a mesur les pertes du transformateur PJ=300W.
i) Calculer la puissance lectrique P2 dlivre au secondaire.
ii) Calculer le rendement du transformateur.
Exercice 10:
Le rchauffement d l'accroissement de l'effet de serre est l'une des plus importantes menaces
pour la plante. Principal responsable : le CO2
Transports, commerces, services, industries, vie quotidienne : nous avons besoin d'nergie sous des
formes les plus diverses. L'lectricit que nous consommons provient de diffrentes sources :
nergies fossiles (ptrole, charbon, gaz), renouvelables (hydraulique) ou nuclaire. Le choix entre ces
sources n'est pas sans consquence sur l'environnement.
Si, pour fournir chaque franais les 6700 kWh dont il a besoin chaque anne, on devait recourir au
charbon, on rejetterait dans l'atmosphre 6,7 tonnes de CO2, 5,4 tonnes avec le ptrole, 4 tonnes
20
(C) Wahab Diop
20
21
avec le gaz.
Avec 54 centrales lectronuclaires et 2000 usines hydrolectriques, la France couvre 90% (75%
nuclaire, 15% hydraulique) de ses besoins en lectricit sans produire un seul gramme de CO2.
Pas de CO2, pas d'oxyde d'azote, pas de dioxyde de soufre : la production d'lectricit nuclaire
n'met pas de gaz polluants.
1) Quels sont les principaux produits de combustion des nergies fossiles ?
2) Parmi les nergies suivantes, hydraulique, ptrole, solaire, olienne, charbon, indiquer celles qui
sont renouvelables.
3) Citer un autre grand secteur producteur de dioxyde de carbone en France.
4) Le texte prcise que "la production d'nergie nuclaire n'met pas de gaz polluants". Pensezvous pour autant qu'elle soit sans risques? Donner deux arguments.
Exercice 11:
1) Vous tes pour linstant aliment en 110V, la rsistance de la ligne qui amne le courant votre
rfrigrateur est de 0,2. La puissance absorbe par le moteur, quand celui-ci fonctionne, est de
400W.
a) Quelle est lintensit du courant qui circule dans la ligne, en supposant que la tension est de
110V aux bornes du moteur et que le facteur de puissance du moteur est de 0,9 ?
b) Quelle est la puissance dissipe par le transport du courant du compteur au rfrigrateur ?
Quelle est la puissance totale consomme ?
2) Votre installation est maintenant alimente en 220V utilise un transformateur.
a) Quel est le rapport du nombre de spires du circuit primaire celui du circuit secondaire ?
b) Le transformateur transmet 98% de la puissance quil reoit. Quand le moteur fonctionne,
quelle est alors lintensit qui circule dans le circuit secondaire ? dans le circuit secondaire ?
(On supposera que la tension est de 220V aux bornes du secondaire ; on prendra le facteur
de puissance du circuit primaire gal 0,9.)
c) Quelle est la puissance totale consomme par votre installation ?
Exercice 12:
1)
2)
3)
4)
Dfinir un alternateur
Indiquer le phnomne responsable du fonctionnement d un alternateur.
Quel est le rle d un transformateur?
Pour quelles raisons la SENELEC est elle oblige d utiliser des lignes T.H.T. pour transporter
l nergie lectrique sur de longues distances?
5) Prciser les termes suivants: rotor, stator, induit et inducteur.
Exercice 13: Les enjeux plantaires de lnergie

Quelques aspects de la situation nergtique mondiale en novembre 2000
Il est devenu clair que les rserves dnergies fossiles ne sont pas infinies et que leur combustion
marche force engendre des problmes cologiques insurmontables et de plus en plus graves. La
concentration de dioxyde de carbone dans latmosphre a augmente de 50 % en un sicle et la
situation deviendra rapidement insoutenable si les pays en voie de dveloppement adoptent le
mode de vie nergivore actuel des pays riches. Lpoque o une minorit de la population
mondiale pouvait accaparer lessentiel des ressources nergtiques est pratiquement termine : il
ny a plus de raison pour quun Amricain consomme chaque anne 8,1 tonnes dquivalent ptrole
21
(C) Wahab Diop
alors que pendant ce temps un Chinois nen consommerait que 0,9.

En France, les gouvernements successifs ont longtemps considr avoir rgl le problme
nergtique, la fois en terme dindpendance et en terme de pollution, avec le lancement en 1973
dun programme nuclaire ambitieux. On sest trs vite rendu compte que ce choix posait autant de
problmes quil ntait susceptible den rsoudre.
La conjonction des temptes de dcembre 99, des manifestations suscites par la hausse du ptrole
en septembre 2000 et des ngociations qui se sont droules fin novembre 2000 la Haye autour du
protocole de Kyoto change profondment, et sans doute durablement, la donne. Il va falloir
apprendre se passer des nergies fossiles, qui reprsentent encore 83 % de la demande dnergie
dans le monde, et dvelopper les nergies renouvelables.
Questions :
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Quelles sont, daprs les documents ci-dessus, les trois sources dnergie fossile ?
Quel est lavenir de ces trois sources dnergie ?
Quel principal problme posent-elles ?
Quelles sont les sources dnergie qui pourraient remplacer les sources dnergie fossile ?
Quelles sont les trois principales sources dnergie renouvelable ?
Expliquer le terme nergivore .
A laide des graphiques, justifier ce qua t le programme nuclaire ambitieux de la France
Pour lanne 2000, expliquer les diffrences entre la consommation mondiale dnergie et la
consommation franaise dnergie.
9) Lunit lgale dnergie est le Joule (J) mais on utilise galement le Wattheure (Wh) et la tonne
dquivalent ptrole (tep). Une tonne dquivalent ptrole correspond lnergie libre par la
combustion dune tonne de ptrole. On donne : 0,222 tep = 1 MWh = 106 Wh et 1 Wh = 3600 J
a) Quelle est la consommation nergtique annuelle dun Amricain en Wh ?
b) Quelle est la consommation nergtique annuelle dun Chinois en J ?
c) Quelle sera en 2020, la consommation dnergie nuclaire en France sachant que la
consommation totale dnergie pour cette anne sera de 323,5 Mtep ? On donne : 1 Mtep =
106 tep.
Exercice 14:
Un transformateur de laboratoire porte l indication suivante: 220V/48V 300 V.A.
22
(C) Wahab Diop
22
23
1) Calculer le rapport de transformation.

2) Calculer l intensit efficace dans l enroulement primaire.
3) Calculer l intensit efficace dans l enroulement secondaire dans l hypothse d un transformateur
idal.
Exercice 15 : La gothermie ou nergie de la Terre
Une norme quantit de chaleur est disponible lintrieur de la Terre. Son exploitation date de
lantiquit : dans les villes romaines, on a retrouv des canalisations de sources chaudes,
Dans le sous-sol, la temprature augmente avec la profondeur denviron 3 tous les 100 mtres. Ce
flux de chaleur provient en grande partie de la dsintgration de certaines matires : cest le
phnomne de radioactivit naturelle et de convection.
Dans les rgions de volcanisme actif o le flux gothermique est lev, les roches de lcorce
terrestre sont gnralement fractures et favorisent linfiltration deaux de pluie. La rencontre en
profondeur dune source importante de chaleur peut provoquer lvaporation de cette eau crant
des geysers, des fumerolles et des rservoirs de vapeur dont la temprature varie de 160C 300C.
La vapeur extraite par forage est envoye directement par des canalisations de surface dans une
turbine, elle-mme relie un alternateur produisant de lnergie lectrique selon le principe des
centrales thermiques classiques : cest lnergie gothermie haute nergie.
En dehors des rgions volcaniques, des nappes deau chaude de (50C 90C) souterraines ou
aquifres formes de roches poreuses (calcaire, grs, sable) et imbibes deau sont situes dans des
bassins sdimentaires entre 1000 et 2000 mtres de profondeur. Lexploitation de ces nappes
aquifres profondes se fait par des forages de type ptrolier. Leau gothermale peut tre utilise
directement en puits unique si les quantits chimiques le permettent. Lorsque la salinit de leau
gothermale est importante, afin dviter tout risque de pollution ou de corrosion, le fluide pomp
dans la nappe passe dans un changeur, puis est rinject dans la nappe par un second forage.
Lnergie gothermique basse nergie a diffrentes applications : chauffage de logement, eau
chaude sanitaire, chauffage de serres, schage de crales, pisciculture, piscines, fournitures deau
chaude pour certains procds industriels.
Texte extrait de la Revue Franaise Sofedir (Septembre 1990)
Rpondre aux questions suivantes :
1)
2)
3)
4)
En utilisant ce texte, dcouper le en trois parties distinctes et donner chacune delle un titre.
Donner les diffrentes tapes de production dlectricit dans les rgions volcanisme actif.
Quelle est lorigine de la chaleur gothermique ?
Quelle distinction faire entre lnergie gothermique haute nergie et lnergie gothermique
basse nergie ?
5) Citer quelques applications de lnergie gothermique basse nergie.
Exercice 16 :
23
(C) Wahab Diop
1) Un aimant en mouvement devant une bobine dont les bornes sont relies un milliampremtre
provoque le passage dun courant lectrique. Ce phnomne est appel .., ..et
le courant mis en vidence est appel ..,..
2) Un alternateur est un gnrateur de .alternatif. Il transforme de lnergie.
en nergie.
3) On trouve dans lalternateur une partie fixe appele .et une partie mobile
appele.
Exercice 17 :
Les mesures relatives un alternateur idal comportant N1 = 1100 spires au primaire et N2 = 60
spires au secondaire, ont donn des rsultats consigns dans le tableau ci-dessous.
1.
2.
3.
4.
Que signifie lexpression : transformateur idal ?

Dfinir et calculer le rapport de transformation.
crire la relation liant les grandeurs efficaces U1 ; U2 ; I1 et I2.
Complter les valeurs manquantes dans le tableau sachant que : P1 = P2.
Intensit efficace
I1 = 0,5 A
I2 = .A
Tension efficace
U1 = V
U2 = 12 V
5. Le transformateur prcdent est aliment en tension continue U = 220 V. Quelle est la

tension aux bornes du secondaire ?
6. Reprsenter le symbole normalis de ce transformateur.
Exercice 18:
Activit documentaire et de questionnement

POURQUOI ET COMMENT PRODUIRE DE LELECTRICITE ?
Document n1 :
A notre poque, et sans lectricit, la vie quotidienne serait difficilement envisageable. Il est
donc ncessaire de savoir la produire de manire efficace et continue. Pour rpondre la
consommation croissante dlectricit, il a fallu inventer et construire des usines capables de
produire de llectricit en grande quantit. En France, les trois principaux modes de
production sont les centrales nuclaires, les centrales combustibles fossiles et les centrales
hydrolectriques. La turbine et lalternateur sont les deux pices matresses de ces
gnrateurs dlectricit. Dans le cas des usines thermiques, la turbine est entrane par la
vapeur produite dans les chaudires o lon brle les combustibles, alors que dans le cas des
usines hydrolectriques, la turbine est anime par la force de leau. La turbine est couple
un alternateur, un grand aimant cercl dune bobine, qui va produire un courant alternatif
en tournant. Une fois le courant produit, il doit tre amen jusque chez le consommateur
la sortie de la centrale, un premier transformateur, un survolteur, augmente la tension du
courant 400 ou 800000 V. Ceci permet de minimiser les pertes dnergie pendant le
24
(C) Wahab Diop
24
25
transport. Prs du point de livraison, un deuxime transformateur, un sousvolteur, fait

lopration inverse : il abaisse la tension du courant pour la mettre aux normes du rseau
domestique. Il existe dautres manires efficaces de produire de llectricit : les panneaux
solaires transforment la lumire du soleil en lectricit et les oliennes utilisent la force du
vent. Il faut savoir quil existe galement des usines marmotrices qui utilisent la force des
mares, que la gothermie exploite les gisements deau chaude stocks dans le sous-sol
terrestre, tandis que les usines biomasse utilisent les dchets comme source dnergie.
Document n2 :
Questions :
1) Quels sont les cinq principaux types de centrales lectriques ?
2) Quels sont les lments indispensables la production de courant lectrique dans une
centrale thermique ?
3) Quelle est la transformation ralise dans lensemble turbine alternateur ?
4) Quel est le mode de fonctionnement dune dynamo de vlo ?
5) Quels sont les points communs entre une centrale thermique et une dynamo de vlo ?
Exercice 21:
1) Le dplacement dun aimant par rapport une bobine dont les bornes sont relies un
microampremtre produit un courant lectrique : cest le phnomne
2) Un transformateur est un dispositif qui permet, suivant sa conception et son utilisation,
d lever ou d abaisser une .
3) L alternateur est une application du phnomne d .. son principe repose sur la
rotation d un . devant une bobine fixe que l on dsigne par ..
4) En rgime sinusodal, la . est le produit de la tension efficace et de l intensit
efficace.
5) Un transformateur ne fonctionne pas en
25
(C) Wahab Diop
nergie nuclaire: raction spontanes, fusion et fission

Le "nuclaire" regroupe l'ensemble des techniques, ou des industries relatives l'nergie nuclaire :
on parle de physique nuclaire, de centrale nuclaire, de force nuclaire, de puissance nuclaire...
Une raction au cours de laquelle des noyaux d'atomes subissent des transmutations, est une
raction nuclaire.
C'est en 1896, que le physicien franais Henri Becquerel dcouvre que des noyaux atomiques
instables peuvent se dsintgrer. Ce phnomne spontan, alatoire, s'accompagne de l'mission de
particules , et d'un rayonnement trs dangereux; il porte le nom de radioactivit. Pierre et
Marie Curie se consacrrent l'tude de ce phnomne. Ils parvinrent isoler le radium et le
polonium, ce qui leur valut le prix Nobel de physique en 1903. Cependant, lorsqu'on parle de
production d'nergie nuclaire, on fait rfrence un autre type de raction : les ractions
nuclaires provoques.
I.
Le noyau
1. Caractristiques du noyau
Un atome est constitu dun noyau charg positivement, autour duquel gravitent des lectrons
chargs ngativement. Un atome isol est lectriquement neutre.
Le noyau atomique est un assemblage de particules appeles nuclons. Il existe deux types de
nuclons, caractriss par leurs masses et leurs charges :
les protons : mp = 1,673.10-27 kg; qp = 1,602.10-19 C
les neutrons : mn mp = 1,675.10-27 kg; qn = 0 C
La composition dun noyau est dtermine par deux nombres :

-
le nombre de protons reprsent par le numro atomique ou nombre de charge Z;

le nombre de nuclons reprsent par le nombre de masse A.
Le nombre de neutrons est alors reprsent par N, tel que N = A - Z.

La notation dun noyau atomique de l'lment X (ou nuclide) est :
Exemple : Les nuclides
14
6C
A
Z
sont les noyaux de l'lment carbone C, constitus de 14 nuclons, soit 6
protons et 14 - 6 = 8 neutrons.
2. Notion d isotopie
Un lment chimique est constitu par les nuclides de mme numro atomique Z. Les isotopes d'un
lment chimique sont les nuclides de cet lment, qui diffrent entre eux par le nombre de
neutrons.
Ainsi,
A
Z X
et
A'
Z X
ayant mme symbole X, mme numro atomique Z, mais des nombres de masse A
et A diffrents, sont des isotopes de l'lment X.
26
(C) Wahab Diop
26
27
Exemples :
1
1H
, 12 H et 13 H sont les isotopes de llment hydrogne 1H.
12
6C
234
92 U
II.
13
6C
et
235
92 U
14
6C
et
sont les isotopes de llment carbone 6C.
238
92 U
sont les isotopes de llment uranium 92U.
Le rapport entre masse et nergie.
Albert Einstein (1879-1955), prix Nobel en 1921, est l'un des plus grands esprits scientifiques de tous
les temps. Sa thorie de la relativit rvolutionna les conceptions scientifiques, rpondant ainsi de
nombreuses interrogations.
1. Dfaut de masse: cohsion des noyaux atomiques
Les forces lectriques rpulsives entre les protons devraient conduire l'clatement des noyaux. S'il
n'en est rien, c'est qu'il existe une interaction attractive forte qui assure la stabilit des noyaux.
On constate par ailleurs, que la masse dun noyau (au repos) est toujours infrieure la somme des
masses des nuclons spars (au repos), qui le composent.
m( ZAX ) mnuclons spars
m( ZAX ) Z . m p ( A Z ). mn
soit
Le dfaut de masse m dun noyau, est la diffrence entre la somme des masses des nuclons
spars (au repos), et la masse du noyau (au repos).
Pour un noyau
A
Z X
ce dfaut de masse s'exprime par la relation :

m Z . m p ( A Z ). mn m( ZAX )
Il y a donc lieu de penser que la cohsion des nuclons rsulte du dfaut de masse du noyau !
2. La thorie d Einstein
La dissociation dun noyau en ses diffrents nuclons ncessite un apport d'nergie E important.
Elle saccompagne dune augmentation de masse m.
En 1905, Albert Einstein postule quune particule possde de lnergie du seul fait de sa masse. Cest
pour cette raison quil appelle cette nergie, nergie de masse.
Lnergie de masse E dune particule de masse m est exprime par la clbre relation :
E = m.c2
E : nergie de masse (en J) ; m : masse (en kg) ; c : clrit de la lumire dans le vide (c = 3.108 m.s-1).
Remarque : En physique nuclaire, le joule est une unit dnergie mal adapte. Cest pourquoi on
prfre utiliser llectronvolt.
1 eV = 1,602.10-19 J
3. Unit de masse atomique (u) et nergie
La masse d'un noyau ou d'un atome est souvent exprime en unit de masse atomique (symboles u).
Lunit de masse atomique est le douzime de la masse d'un atome de carbone 12 :
27
(C) Wahab Diop
1u
12.10 3
1,66054.10 27 kg
12.N A
D'aprs la relation ci-dessus, une masse gale 1 u correspond une nergie d'environ 931,5 MeV.
1u=1,66.10-27
(3.108)2
1,6.1019106
= 931,5 MeV/c
1u=931,5 MeV/c
Exemple : masse du proton=1,672.10-27 kg=1,00728 u= 938,28 MeV/c2.

4. nergie de cohsion (liaison) d'un noyau
C'est l'nergie ncessaire pour librer les nuclons. Selon la thorie d'Einstein, c'est donc l'nergie
quivalente au dfaut de masse du noyau.
La formation dun noyau (au repos) partir de ses nuclons spars (au repos), saccompagne
dune diminution de masse gale m et par consquent dune libration dnergie gale E,
telle que :
E m c 2 [ Z . m p ( A Z ). mn m( ZAX )] c 2
En rsum :
nergie
Nuclons
lis
Nuclons
spars
nergie
Exemple : Quelle est lnergie libre lors de la formation dun noyau dhlium au repos partir de ses
nuclons spars, au repos ?
Donnes :
m( 24 He ) = 6,644.10-27 kg ;
mp = 1,673.10-27 kg ;
mn = 1,675.10-27 kg.
Calculons la somme des masses des nuclons spars, au repos. Le noyau dhlium possde 4
nuclons (A = 4) dont 2 protons (Z = 2) et 2 neutrons (N = 4 - 2 = 2).
mnuclons spars = Z.mp + (A - Z).mn = (2 1,673.10-27)+( 2 1,675.10-27) = 6,696.10-27 kg
Calculons le dfaut de masse m et lnergie libre E correspondante.
m = mnuclons spars - m( 24 He ) = 6,696.10-27 - 6,644.10-27 = 0,052.10-27 kg

E = m.c2 = 0,052.10-27 (3.108)2 = 0,468.10-11 J.
Cette nergie est ridiculement petite !
Mais pour 4 g dhlium, lnergie libre serait denviron : 0,468.10-11 6,02.1023 = 2.8.1012 J.
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28
29
A titre comparatif, la combustion de 1 L de fuel fournit 4,2.107 J ; il faudrait donc brler

2,8.1012/4,2.107 = 60000 L de fuel pour obtenir une nergie quivalente ! ! !
5. nergie de liaison par nuclon
Dfinition: L'nergie de liaison par nuclon d'un noyau est le quotient de son nergie de liaison par le
nombre de ses nuclons. On la note EA.
EA
E
avec
A
EA: nergie de liaison par nuclon (en Mev/nuclon)

El: nergie de liaison du noyau (en Mev)
A: nombre de nuclons du noyau
Remarque: EA permet de comparer la stabilit des noyaux entre eux. Les noyaux dont l'nergie de
liaison par nuclon est la plus grande sont les plus stables.
III.
Radioactivit
1. Dfinition
La radioactivit (naturelle) est l ensemble des transformations (dsintgrations) spontanes,
alatoire et inluctables des nuclides instables (radiolments).
2. Lois de conservation: lois de Soddy
Lors d'une dsintgration radioactive ou il y a conservation du nombre de charge Z et du
nombre de nuclons A.
Considrons la dsintgration d'un noyau X (appel noyau pre). Cette dsintgration conduit un
noyau Y (appel noyau fils) et l'expulsion d'une particule P (particule ou ). L'quation de la
dsintgration s'crit:
Les lois de conservation de Soddy imposent alors:
Loi de conservation du nombre de nuclons A: A = A' + A".

Loi de conservation du nombre de charges Z: Z = Z' + Z".
3. Les divers types de radioactivit.
a) Radioactivit
Dfinition:
Des noyaux sont dits radioactifs s'ils expulsent des noyaux d'hlium 42He.
quation de la raction de dsintgration .
D'aprs les lois de conservation de Soddy l'quation s'crit:
29
(C) Wahab Diop
Par exemple, l'uranium 238 est un radionuclide . Son quation de dsintgration s'crit:
Caractristiques
Le noyau fils obtenu est un noyau de thorium. Les particules mises ont une vitesse de lordre de
20000 km.s-1. Elles provoquent lionisation de la matire quelles rencontrent, mais sont peu
pntrantes : une simple feuille de papier suffit les arrter.
b) Radioactivit
Dfinition:
Des noyaux sont dits radioactifs - s'ils mettent des lectrons nots
et dune particule appele
antineutrino (particule neutre et sans masse).
quation de la raction de dsintgration.

+

Par exemple, le cobalt 60 est un radionuclide
. Son quation de dsintgration s'crit:
Origine de l'lectron expuls.
Les radionuclides - sont des radionuclides qui possdent trop de neutrons par rapport aux
nuclides stables de mme nombre de masse A. La transformation de ce neutron excdentaire
produit un lectron suivant le bilan:
Il apparat aussi un proton. Z=27 dans le cobalt devient Z'=28 dans le

nickel. Globalement Z augmente d'une unit et N diminue d'une unit.
Alors A reste constant.
30
(C) Wahab Diop
30
31
Caractristiques
Lnergie libre par ce type de dsintgration est emporte par llectron, ject une vitesse de
lordre de 280000 km.s-1 et par lantineutrino de vitesse presque gale celle de la lumire dans le
vide. Les lectrons ainsi produits peuvent traverser une plaque mtallique de plusieurs millimtres.
Les neutrinos ninteragissent pratiquement pas avec la matire et peuvent traverser la Terre sans
tre arrts.
c) Radioactivit
Dfinition.
+.
Des noyaux sont dits radioactifs + s'ils mettent des positons (ou positrons)
(Ce sont des
particules portant une charge +e) et des neutrinos .
quation de la dsintgration.
+
Par exemple, le phosphore 30 est un radio metteur +. Son quation de dsintgration est:
+
Origine du positon expuls.
Les radionuclides - sont des radionuclides qui possdent trop de protons par rapport aux
nuclides stables de mme nombre de masse A.
La transformation de ce proton excdentaire produit un positon suivant
le bilan:
Il apparat aussi un neutron. Z=15 dans le phosphore devient Z'=14 dans

le silicium. Globalement N augmente d'une unit et Z diminue d'une
unit. Alors A reste constant.
Caractristiques
Les vitesses et nergies des rayonnements mis sont du mme ordre que pour la radioactivit -La
radioactivit + est qualifie de radioactivit artificielle car elle ne se produit que sur des nuclides
fabriqus artificiellement.
31
(C) Wahab Diop
Rsum des quations nuclaires

Noyau pre
A
Z
A
Z
A
Z
Type de radioactivit
Particule mise
Noyau fils
He
A 4 *
Z 2
0
1
A *
Z 1
0
1
A *
Z 1
4
2
Le noyau fils est en gnral dans un tat excit (renfermant un excs dnergie), il est alors not Y*. Il
libre son excs dnergie sous forme de rayonnement : Y* Y + .
Exemple:
Rn
Rn
La frquence de ces rayonnement est de lordre de 1020 Hz, et leur capacit de pntration est trs
importante : un rayonnement gamma peut traverser plusieurs mtres de bton.
IV.
Ractions nuclaires provoques: fission et fusion.
Une raction nuclaire fait intervenir des nuclides et des particules lmentaires (neutrons,
protons, lectrons); elle peut tre source de rayonnements nergtiques ( par exemple).
1. La fission
Une raction de fission est une raction nuclaire provoque, au cours de laquelle un noyau lourd
se scinde en deux noyaux plus lgers sous limpact dun neutron. Le noyau lourd, fissile, est en
gnral un noyau duranium 235.
Pour tre absorb, le neutron doit tre lent (donc peu nergtique); on le nomme neutron
thermique. Cette raction libre deux ou plusieurs autres neutrons rapides ...et beaucoup dnergie!
32
(C) Wahab Diop
32
33
Diffrentes fissions sont possibles, mais lquation-bilan est de la forme gnrale :

A
235
1
Z 1
92 U 0 n
1
X Z2 Y x 01n
A
Exemples :
235
1
94
1
38
Sr 140
92 U 0 n
54 Xe 2 0 n
235
1
85
1
35
Br 148
92 U 0 n
57 La 30 n
Aprs ralentissement, les neutrons librs peuvent leur tour provoquer la cassure dautres noyaux
lourds : d'o un effet multiplicateur appel raction en chane.
2. La fusion
Une raction de fusion est une raction nuclaire provoque, au cours de laquelle, dans certaines
conditions de temprature et de pression, deux noyaux lgers s'unissent pour former un noyau
plus lourd.
On parle aussi de raction thermonuclaire. Cette raction libre ventuellement une particule
lmentaire (neutron, proton, ...) et beaucoup dnergie !
Exemples :
2
3
24 He 01n
1 H 1 H
33
(C) Wahab Diop
3. nergie libre lors d'une raction nuclaire

Toute raction nuclaire (de fission ou de fusion) saccompagne dune perte de masse. Cette perte
de masse reprsente l'nergie libre.
Exemple : Quelle est la perte de masse correspondant la fission d'un noyau d'uranium 235 ?
m m( 235
92 U ) mn m( X ) m(Y ) x. mn
m m( 235
92 U ) m( X ) m(Y ) ( x 1). mn
Quelle est l'nergie libre correspondante ?
2
E m( 235
92 U ) m( X ) m(Y ) ( x 1). mn c
E m c 2
La majeure partie de cette nergie apparat sous la forme dnergie cintique des fragments forms,
nergie rapidement transforme en chaleur.
V.
Dcroissance radioactive
1. Caractre alatoire
Un noyau meurt sans jamais vieillir, cest--dire quil ne prsente aucun symptme avant de se
dsintgrer. Une dsintgration radioactive est un phnomne alatoire, sur lequel il est impossible
dagir : il nexiste aucun facteur susceptible de modifier les caractristiques de la dsintgration dun
noyau.
2. Priode radioactive ou demi-vie
La priode radioactive T est la dure au bout de laquelle la moiti des noyaux radioactifs initialement
prsents se sont dsintgrs. Elle s exprime en seconde et est dfinie par la relation:
T
o
ln2
est la constante radioactive, elle sexprime en seconde moins un (s-1) et dpend du nuclide
34
(C) Wahab Diop
34
35
Remarques
Selon les lments, les demi-vies radioactives peuvent varier de quelques nanosecondes
quelques milliards dannes Les lments dont la demi-vie est de lordre de lge de la Terre
nont pas encore compltement dsintgrs donc ils sont encore prsents ltat naturel sur
Terre (exemple de lUranium 238, de demi-vie gale 4,47 milliards dannes).
On dit quun noyau radioactif ne vieillit pas puisque quel que soit son ge, ses chances de
dsintgrations restent les mmes tout moment. Par exemple, un noyau de csium 137 a une
demi-vie de 30 ans, ce qui signifie quil a une chance sur deux de se dsintgrer dans les 30 ans
qui viennent. Sil ne se dsintgre pas durant ses 30 ans, il aura une chance sur deux de se
dsintgrer dans les 30 ans suivants, et ainsi de suite Ses chances de dsintgrations
naugmentent donc pas avec son ge
3. Loi de dcroissance
Soit N0 est le nombre de noyaux radioactifs initialement prsents. Au bout du temps n T le nombre
de noyaux prsents est donn par la relation:
N
No
2n
d o la courbe de dgnrescence ci-contre. (Sa fonction mathmatique est: N
N0e
t)
4. Activit radioactive
L activit A d une quantit donne d un lment radioactif est le nombre moyen de dsintgration
par seconde. Lactivit est exprime en becquerels dont le symbole est Bq. Un becquerel correspond
une dsintgration par seconde.
Henri Becquerel a dcouvert le phnomne de la radioactivit le 1er mars 1896 partir de sels
duranium. Il a reu le Prix Nobel de Physique en 1903 conjointement avec Pierre et Marie Curie, qui
ont prouv de leur ct que le phnomne ntait pas caractristique seulement de luranium, et qui
ont isol le radium.
35
(C) Wahab Diop
On utilise aussi le curie (symbole: Ci):

1 Ci = 3,7.1010 Bq
On peut calculer l activit par la relation: A
d o A
A0
avec A0
2n
N0
2n
N0
La formule mathmatique de l activit en fonction du temps est: A
VI.
A0
2n
A0e
Les applications civiles des ractions nuclaires.
1. Bombe atomique
Au cours dune raction de fission, lnergie dgage devient trs vite considrable. Non contrle, la
raction en chane conduit une explosion : cest le principe de la bombe atomique ou bombe A.
2. Centrale nuclaire
Convenablement matrise dans un racteur nuclaire, cette raction en chane constitue la source
dnergie thermique dune centrale lectrique, dont voici le schma de principe.
barres de contrle
vapeur chaude
alternateur
turbine
condenseur
racteur
pompe
pompe
changeur
eau de rivire
de chaleur
Les conditions remplir pour assurer le fonctionnement du racteur sont:

La raction doit tre auto-entretenue dans le cur du racteur. Les neutrons rapides quelle
produit, sont ralentis par les nombreux chocs sur les atomes dun milieu modrateur entourant le
matriau fissile. Devenus lents, ces neutrons peuvent, leur tour, donner lieu de nouvelles
ractions de fission. C'est la raction en chane.
La raction doit tre contrle. Cette rgulation s'effectue en plongeant plus ou moins
profondment dans le cur du racteur, des barres de contrle en graphite, matriau ayant la
proprit dabsorber fortement les neutrons.
3. Bombes thermonuclaires
Les ractions de fusion nuclaire, incontrles et explosives, sont utilises dans les bombes
thermonuclaires appeles bombes H . L'amorage de la fusion est alors ralise grce l'nergie
libre par l'explosion d'une bombe A.
36
(C) Wahab Diop
36
37
La fusion nuclaire contrle serait une source d'nergie quasi inpuisable. Malheureusement, elle
reste toujours au stade de la recherche.
4. nergie stellaire
La fusion existe naturellement dans les environnements extrmement chauds
que sont les toiles, comme le Soleil. Il y a, au cur du Soleil, une temprature
de lordre de plusieurs dizaines de millions de degrs qui permet la fusion de
noyaux lgers comme ceux dhydrogne en hlium.
Les principales ractions de fusion se font partir de lhydrogne et de ses
isotopes : le deutrium
et le tritium
Par exemple :
Ces ractions de fusion thermonuclaire librent beaucoup dnergie et
expliquent la trs haute temprature qui atteint en surface les 5 700 C. Une trs
petite partie de lnergie rayonne par le Soleil atteint la Terre et permet la vie
sur celle-ci.
5. Effets biologiques de la radioactivit
En traversant le corps, les particules et , ainsi que le rayonnement , provoquent des destructions
cellulaires. A faible dose ces rayonnements sont responsables d'une augmentation des cancers et
d'anomalies gntiques.
On parle d'irradiation lorsqu'un organisme se trouve proximit d'une source radioactive. Il reoit
alors une partie du rayonnement mis par la source. Il y a contamination lorsque les produits
radioactifs sont absorbs par les voies digestives ou respiratoires. Ils peuvent alors se dsintgrer au
sein mme de l'organisme.
Le danger augmente avec l'activit A de la source radioactive, la proximit de la source, la dure
d'exposition et le type de radioactivit (les particules sont arrtes par une feuille de papier ; les
particules par une fine plaque daluminium ; le rayonnement par une forte paisseur de plomb ou
de bton).
6. Datation
Le carbone 14 est produit en permanence par le rayonnement cosmique partir de lazote dans la
haute atmosphre. Les changes qui se produisent entre l'atmosphre et le monde vivant
maintiennent quasiment constant le rapport entre la quantit de carbone 14 et celle de carbone 12.
Mais, ds qu'un organisme meurt, le carbone 14 qu'il contient n'est plus renouvel puisque les
changes avec le monde extrieur cessent ; sa proportion se met dcrotre car il est radioactif (t1/2 =
5 568 ans). Pour dterminer l'ge du matriau mort, on mesure l'activit rsiduelle du carbone 14
d'un chantillon de matriau mort et on applique la formule :
A A 0 .e
.t
avec A0 est, en premire approximation, constante pour les tres vivants est gale 814 4 Bq pour
un chantillon de 1 g.
37
(C) Wahab Diop
7. Marquage isotopique en biologie et mdecine

On remplace un atome par un isotope radioactif. Le rayonnement mis permet de dtecter et
localiser la molcule. On peut ainsi suivre son mouvement et mme la doser distance.
On tudie ainsi le mode daction des mdicaments, le fonctionnement du cerveau.
Exercices sur l'nergie

nuclaire
Exercice 1: Questions de cours
1) Dfinir le phnomne de la radioactivit.
2) Quelles sont les diffrentes catgories de particules mises par les corps radioactifs ?
3) Comment appelle-t-on le rayonnement lectromagntique mis par les corps radioactifs ?
4) Citer les nombres qui sont conservs au cours dune raction nuclaire.
1
0
1
0
5) Attribuer chaque symbole le nom qui lui correspond : 0 n, -1 e, 1 p, , , 1 e , ?
6) Donner la dfinition de lactivit dun chantillon.
7) Quappelle-t-on priode radioactive, ou demi-vie, dun nuclide ?
8) Donner le nom et le symbole de lunit dactivit.
9) Sous quelles formes est libre lnergie produite par une raction nuclaire ?
A
10) Dfinir lnergie de liaison par nuclon pour un noyau Z X.
11) Quappelle-t-on fission nuclaire ? Citer un exemple de noyau fissible.
12) Quel est le projectile utilise pour provoquer la fission dun noyau duranium ?
13) Quest-ce quune raction nuclaire en chane?
14) Quappelle-t-on fusion nuclaire ? Donner un exemple de raction de fusion.
15) Nommer un systme qui est le sige de ractions de fusion.
Exercice 2 :
1) Le noyau de latome de chlore contient 17 protons et 18 neutrons. Donner la reprsentation de
ce nuclide.
2) Le noyau duranium 238 a pour reprsentation
238
92
U . Calculer le nombre de neutrons et le
nombre de protons quil contient.

Exercice 3 :
1) Dfinir fusion et fission nuclaires
2) Recopier et complter les quations-bilans ci-dessous en prcisant la mthode utilise.
210
----4
a) 84 Po ----- Pb +
2 He +
14
----0
0
b) 6 C ----- N + -1 e + 0 +
3) Exprimer lnergie libre par la raction a) en fonction des masses des noyaux impliqus et de la
clrit de la lumire (il nest pas demand de faire le calcul). Comment cette nergie est
rpartie ?
38
(C) Wahab Diop
38
39
4) On donne les nuclides suivants identifis par les couples (Z, A) :

(38,94) ; (54,139) ; (92,235) ; (38,95) ; (54,140) ; (93,238) ; (92,238).
a) Prciser la signification des lettres Z et A.
b) Dterminer parmi ces nuclides ceux qui sont isotopes.
c) En utilisant le tableau extrait de la classification priodique des lments, identifis
parmi les nuclides cits ceux qui sont isotopes de luranium.
Th
Pa
U
Np
Pu
90
91
92
93
94
Exercice 4 :
Une certaine substance radioactive dont la demi-vie est de T=10 s met 2.107 particules alpha par
seconde.
1) Dfinir lactivit dune substance radioactive.
2) Calculer la constante de dsintgration de cet isotope.
3) Quelle l'activit de cette substance? Prciser son unit.
4) Combien y a-t-il de noyaux radioactifs dans cette substance ?
5) Combien en restera-t-il aprs 30 secondes ?
Exercice 5 :
210
Le polonium 84 Po est un noyau instable qui donne par dsintgration un noyau stable de plomb
Pb, avec mission de rayonnement .
1) Quelle est la signification des nombres placs gauche du symbole Po ? En dduire la
composition de ce noyau.
2) Calculer en joule et en Mev lnergie de cohsion par nuclon pour le noyau de polonium.
3) Ecrire lquation de dsintgration du noyau de polonium. Quelle est, exprime en Mev,
lnergie libre au cours de cette dsintgration ? Sous quelles formes se rpartit cette
nergie ?
Donnes : m (Po) = 210,04 u ; m (Pb) = 206,03854 u ; m () = 4,00260 u ; u = 931 Mev/C2.
Exercice 6 :
Parmi les diverses ractions de fission de luranium 235 bombard par des neutrons, on considre la
raction suivante :
94
U 01n
139x Xe 38
Sr y 01n
235
92
1) Complter lquation-bilan en calculant x et y.

2) Calculer en MeV, lnergie libre par la fission dun atome duranium 235 suivant cette raction.
3) Sous quelle forme peut-on trouver lnergie libre ?
Donnes :
m( 235
= 3,902.10-25 kg
92 U )
-25
94
m( 38
Sr ) = 1,559.10 kg
m( 139x Xe ) = 2,306.10-25 kg
mn = 1,675.10-27 kg
C = 3.108 m.s-1
1 eV = 1,602.10-19 J
Exercice 7 :
Une centrale nuclaire type REP utilise comme combustible de luranium enrichi en uranium
39
235
92
U.
(C) Wahab Diop
1) Un noyau duranium
235
92
U peut absorber un neutron. Parmi les ractions possibles, il y a celle o
apparaissent deux noyaux radioactifs
144
56
Ba et
89
36
Kr .
Ecrire lquation-bilan de cette raction.

2) Une tranche de la centrale nuclaire de Gravelines (type REP) fournit une puissance de 900
MW.
On considre que 33 de lnergie thermique libre par les ractions nuclaires est transforme
en nergie lectrique.
a) Calculer en MeV, lnergie thermique libre par les ractions nuclaires durant une
journe.
b) Sachant qu'au cours de la raction prcdente, chaque noyau duranium libre une nergie
de 200 MeV, calculer le nombre de ractions de fission qui ont lieu chaque jour.
c) En dduire la consommation journalire duranium 235 dans cette centrale.
Donnes :
-25
m( 235
kg
92 U ) = 3,902.10
1 eV = 1,602.10-19 J
Exercice 8 :
Le constituant principal du Soleil ainsi que des autres toiles jeunes est lhydrogne. Lorsque le cur
de ces toiles atteint une temprature de lordre de 107 K, les protons fusionnent. Cette fusion peut
seffectuer selon un processus dont le bilan est : 411H
24 He 210 e
1) Calculer lnergie libre lors de la formation dun noyau dhlium en J et en MeV.
2) On considre que toute lnergie produite par les ractions de fusion est rayonne par le Soleil.
La puissance rayonne, suppose constante, est gale 3,9.1026 W.
La masse mS du Soleil est de lordre de 2,0.1030 kg.
On value son ge 4,6 milliards dannes.
a) Calculer la perte de masse mS subie par le Soleil depuis quil rayonne.
b) Calculer la fraction de la masse actuelle que cela reprsente.
Donnes :
m( 11 H ) = 1,67310-27 kg; m( 24 He ) = 6,644.10-27 kg; c = 3.108 m.s-1; me = 9,11.10-31 kg; 1
eV = 1,602.10-19 J
Exercice 9: Enjeux plantaires nergtiques.
En France, 78% de l'lectricit est d'origine nuclaire. C'est l'une des plus comptitives d'Europe."
Grce son parc de 58 racteurs, la France atteint un taux d'indpendance nergtique proche de
50%, lui garantissant une grande stabilit d'approvisionnement.
Le nuclaire est une nergie qui n'met pas de gaz effet de serre. Dans un contexte de lutte contre
le rchauffement climatique phnomne dsormais bien compris des scientifiques, et dfini comme
inluctable, il apparat indispensable d'utiliser des modes de production d'nergie qui n'agissent pas
sur ce rchauffement, afin de ne pas l'aggraver encore. Le nuclaire a sans aucun doute, aux cts
d'autres nergies, comme les nergies renouvelables, un rle important jouer pour contribuer
prserver l'environnement.
D'aprs le site Internet du CEA (Commissariat l'nergie Atomique) www.cea.fr/fr/jeunes/QR/nucleaire_1 .htm
1) Citer un des principaux gaz responsable de l'effet de serre.

2) Citer deux types d'nergies renouvelables.
3) L'nergie nuclaire en fait-elle partie? Pourquoi ?
40
(C) Wahab Diop
40
41
4) D'aprs le texte, que peut-on dire des centrales nuclaires du point de vue du respect de
l'environnement ?
5) Proposer deux inconvnients des centrales nuclaires qui nuancent les propos de ce document.
6) Que reprsentent les nombres 235 et 92 ?
7) Comment appelle-t-on la raction nuclaire que l'on fait subir l'uranium 235 dans une centrale
nuclaire ?
Exercice 10: Rpondre par vrai ou faux
1)
2)
3)
4)
5)
La masse dun noyau est infrieure la somme des masses de ses nuclons.
Plus lnergie de liaison par nuclon est grande, plus le noyau est stable.
Deux isotopes ont des noyaux de mme masse.
Un noyau contient toujours autant de neutrons que de protons.
On donne: 104Be ; 94Be ; 84Be ; 74Be ; 73Li ; 126C ; 105X.
a) 74Be et 73Li sont isotopes.
b) La raction nuclaire produisant 73Li partir de 74Be est du type +.
c) La raction nuclaire produisant 105X partir de 104Be est du type +.
d) Un atome de 94Be fixe une particule alpha pour librer :
i) un neutron et 126C.
un neutron et 84Be.
ii)
Exercice 11 :
Une certaine substance radioactive dont la demi-vie est de T
seconde.
10 s met 2.107 particules alpha par
1) Dfinir l activit d une substance radioactive.

2) Calculer la constante de dsintgration de cet isotope.
3) Quelle l'activit de cette substance? Prciser son unit.
4) Combien y a-t-il de noyaux radioactifs dans cette substance ?
5) Combien en restera-t-il aprs 30 secondes ?
Exercice 12: On donne pour tout l exercice:
1u=1,6605.10-27 kg; c=2,9979.108 m/s; 1MeV=1,6022.10-13 J; 1u = 931,494 MeV/c
Les questions sont indpendantes
1) Pour un atomes de fer:
, quels sont les nombres de nuclons, de protons, de neutrons et
d lectrons dans le cortge lectronique?
2) Que peut-on dire des noyaux des nuclides:
et
?
3) Donner une valeur approche de la masse d un atome de cobalt reprsent par
.
4) Qu est-ce qu une fission nuclaire? Qu appelle-ton fusion nuclaire.
5) Complter les quations-bilan suivantes. Chacune d elles ne fait intervenir qu une seule
dsintgration , - ou +. On donne les lments: 90Th; 92U; 29Cu; 26Fe; 28Ni; 20Ca; 93Np; 18Ar;
6) Le nuclide
41
utilis en radiothrapie se dsintgre par radioactivit -.
(C) Wahab Diop
a) crire l quation de la dsintgration.

b) Sachant que sa priode radioactive vaut T=5,3 ans, quelle est la proportion des noyaux
radioactives restant au bout d une dure de 53 ans.
7) Calculer la perte de masse (en u) et l nergie libre (en MeV) :
On donne: m( 235U)=235,04393u; m( 236U)=236,04556u; m(n)=1,00866u
Exercice 13 : Mots croiss
Indices Horizontaux
1: transformation d'un atome radioactif en un autre atome

3: mot latin qui signifie "rayon"
6: atomes ayant le mme nombre de protons et un nombre diffrent de neutrons
8: met des rayonnements invisibles semblables aux rayons X
11: mission d'un lectron ou d'un positon
12: ces rayonnements nous parviennent sans arrt de l'Univers et sont parfois trs
nergtiques
Indices Verticaux
2: nom donn aux atomes radioactifs

4: unit d'activit qui est le nombre de dsintgrations de noyaux radioactifs par seconde
5: exposition aux rayons x
7: les ...... isolrent le polonium et le radium radioactifs du minerai d'uranium
9: rayonnement constitu d'un atome d'hlium comprenant 2 protons et 2 neutrons
10: ce rayonnement est une onde lectromagntique comme la lumire visible ou les rayons
X mais plus nergtique
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Exercice 14:
la fission d un noyau d uranium 235 bombard par un neutron, fourni divers produit. Parmi les
ractions qui se produisent, on peut citer:
42
(C) Wahab Diop
42
43
U 01n 54A Xe 95Z Sr 2 01n;
235
92
A'
1
U 01n 148
57 La Z ' Br 3 0 n;
235
92
A ''
1
U 01n 144
Z '' La 35 X 4 0 n.
235
92
1) Dterminer A, Z, A , Z , A et Z
2) A partir des rsultats obtenus, dduire la nature de X.
Exercice 15:
Lire attentivement le texte et rpondre aux questions.
Le samedi 26 avril 1986 1h 30 min, la suite de manuvres aberrantes, une explosion de vapeur
deau se produit dans le racteur n4 de la centrale nuclaire de Tchernobyl.
La dalle de bton situe au-dessus du racteur, dune masse de mille tonnes, et plusieurs dizaines de
tonnes de combustible radioactif fondu sont projetes sur les btiments environnants, y allumant
des incendies. Le graphite, modrateur du racteur, senflamme. Une partie des produits radioactifs
dactivit estime environ 1018 Bq ; celui-ci survolera ensuite une grande partie de lhmisphre
Nord .
1)
2)
3)
4)
5)
Donner un titre au texte.

Quelle est lutilit de la dalle de bton de mille tonnes ?
Dcrire sommairement leffet modrateur du graphite.
Quels sont les effets nfastes de cet vnement sur lenvironnement ?
Dfinir lactivit dune substance radioactive, prciser son unit.
Exercice 16:
La constante radioactive du csium 137 est =7,32.10-10s-1.
1) Calculer, en anne, la priode radioactive du csium 137 (On exprimera le rsultat en une valeur
entire)
2) Dterminer l'activit A0 d'un chantillon de csium 137 la date t=0 si le nombre de noyaux
initialement prsents est N0=1,0.1024.
3) Dterminer son activit au bout de 30 ans et au bout 60 ans.
4) D'une faon plus gnrale, exprimer son activit au bout de n demi-vie en fonction de A0
Exercice 17:
Un laboratoire tudie un chantillon de csium 137 de date de
fabrication et de masse inconnues. Le graphe reprsente l'volution
de la masse de csium 137 en fonction du temps.
partir du graphe, choisir la bonne rponse:
1) La demi-vie du csium 137 est :
1957 ans ; 1965 ans ; 35 ans ; 30 ans.
43
(C) Wahab Diop
2) On considre une substance radioactive qui met 2 107 particules alpha par seconde et dont la
demi-vie est 10 s.
Le nombre de noyaux radioactifs dans cette substance est : 2 108 ; 1,4 106 ; 1,4 107 ; 2,9 108.
3) L'uranium 238 subit plusieurs dsintgrations successives de type et - et se transforme en
plomb 206 selon l quation de la raction:
Pb + xe + y He
avec x et y des entiers inconnus
Le nombre de dsintgrations de chaque type pour passer de l'uranium 238 au plomb 206 est :
-
8 dsintgrations de type
et 6 dsintgrations de type
.
.
.
.
-
Exercice 18:
He + 2p
On considre la raction de fusion suivante: He + He
1) Dfinir une raction de fusion.

2) Calculer en MeV l nergie nuclaire libre par la raction.
3) Calculer l nergie de cohsion d un noyau d hlium He. En dduire son nergie de liaison par
nuclon.
Donnes: Masses des particules: m(He ) = 3,0149u; m(He) = 4,0015u; mp = 1,0073u; 1u=931,5
MeV/c
44
(C) Wahab Diop
44
45
Gnralits sur les signaux et ondes mcaniques

I.
Gnralits
1. Signal ou perturbation d un milieu au repos
a) Dfinition d un signal
On appelle signal ou perturbation toute modification temporaire et locale dun milieu.
b) Expriences
Que se passe-t-il si on exerce une perturbation sur un milieu matriel ?
Exprience a: on fait tomber une
goutte sur un plan deau au repos.
Exprience b : on dplace trs

rapidement et verticalement
lextrmit dune corde pose
sur un support horizontal.
Exprience c : on pince
brivement quelques spires
dun ressort pos
horizontalement.
c) Observations
Dans ces trois expriences, on observe que :
- la dformation se propage (se dplace) tout au long du milieu matriel
- la dformation est une perturbation, car le milieu matriel revient dans son tat initial : le
repos
- globalement, la matire ne sest pas dplace
2. Dfinitions
a) Dfinition dune onde mcanique
On appelle onde mcanique le phnomne de propagation dune perturbation dans un milieu
matriel sans quil y ait transport de matire.
Remarque importante
Une onde mcanique ne peut pas se propager dans le vide, puisque, par dfinition, elle se propage
au sein de la matire.
45
(C) Wahab Diop
Dans les trois expriences, on a donc affaire une onde mcanique. Le milieu de propagation de
cette onde est :
- la surface de leau pour lexprience a:
- la corde pour lexprience b
- le ressort pour lexprience c
b) Dfinition de la source dune onde
On appelle source de londe lendroit o nat la perturbation.
Dans les trois expriences, la source de londe est :
- le point dimpact de la goutte sur le plan deau pour lexprience a
- lextrmit de la corde pour lexprience b
- les spires pinces pour lexprience c
3. Nature dune onde mcanique
a) Dfinition dune onde progressive
Une onde mcanique est dite progressive si la perturbation quelle provoque sloigne de plus en plus
de la source de londe au fur et mesure que le temps scoule.
b) Dfinition dune onde mcanique progressive longitudinale
Une onde mcanique progressive est dite longitudinale si la
matire affecte par la perturbation oscille paralllement la
direction de propagation de londe.
Dans lexprience c, on a affaire une onde longitudinale. En

effet, les spires du ressort oscillent horizontalement au passage
de la perturbation et cette perturbation (la zone de compression)
se dplace dans la mme direction.
c) Dfinition dune onde mcanique progressive transversale

Une onde mcanique progressive est dite transversale si
la matire affecte par la perturbation oscille dans une
direction perpendiculaire celle de la propagation de
londe.
Dans les expriences a et b, on a affaire une onde
transversale. En effet, la corde ou la surface de leau
oscillent verticalement au passage de la perturbation,
alors que cette perturbation (la vague)
se dplace horizontalement.
Remarque
Si on avait plac un objet flottant sur le plan deau, cet objet, au passage de londe,
oscille verticalement et ne se dplace pas horizontalement.
46
(C) Wahab Diop
46
47
II.
Proprits gnrales des ondes mcaniques progressives.
1. Direction de propagation
Une onde se propage, partir de la source, dans toutes les directions qui lui sont offertes. On
distinguera ainsi les ondes une, deux ou trois dimensions.
2. Clrit de l'onde.
On appelle clrit v de l'onde la vitesse de propagation de l'onde. C'est le rapport entre la distance
d parcourue par l'onde et la dure t du parcours.
v en mtre par seconde (ms-1)

d en mtre (m)
d
V= t avec
t en seconde (s)
On prfre le mot clrit au mot vitesse auquel est associe la notion de dplacement de matire
(vitesse d'une automobile, d'une particule etc...).
La clrit de l'onde est une proprit du milieu de propagation et ne dpend pas de la faon dont
la source a engendr l'onde. Elle est donc constante dans un milieu donn dans des conditions
donnes.
Par exemple la clrit du son dans l'air dpend de sa temprature.
La clrit d'une onde se propageant sur une corde dpend de sa tension et de sa masse
linique (masse par unit de longueur).
V
avec
m
L
V(ms-1); T(N) et
(kg.m-1)
3. Croisement de deux ondes.

Deux ondes se propageant dans le mme milieu peuvent se croiser sans se perturber mutuellement.
47
(C) Wahab Diop
III.
Onde progressive priodique une dimension:

1. Rappels sur le mouvement priodique
Dfinition: Un mouvement priodique est un mouvement qui se rpte intervalles de temps

gaux.
Dfinition: La priode d'un phnomne priodique est la dure au bout de laquelle le phnomne
se rpte identique lui-mme. On la note T et elle s'exprime en secondes (s).
Dfinition: La frquence d'un phnomne priodique reprsente le nombre de phnomnes
effectus par seconde. On la note gnralement f, son unit est le hertz (Hz). La frquence est
l'inverse de la priode:
f: frquence du phnomne en hertz (Hz)

1
f= T avec
T: priode du phnomne en secondes (s)
2. tude exprimentale
Soit une source S imposant une perturbation priodique sinusodale au milieu de propagation
(chelle de perroquet ou corde).
On constate qu'une onde progressive priodique se
propage dans le milieu.
3. Priodicit temporelle T
Ci-contre, l'aspect de la corde un instant donn.
L'longation de la source et d'un point M
quelconque est en gnral diffrente, mais on peut
remarquer une priodicit dans le mouvement de
chaque point de la corde.
L'longation de la source S est priodique de

priode T. C'est une fonction sinusodale du temps.
L'longation du point M est elle aussi

priodique de mme priode T.
La priode du mouvement de chaque point de la corde est impose par la source S.
48
(C) Wahab Diop
48
49
4. Priodicit spatiale
L'aspect de la corde un instant donn est une fonction
sinusodale de l'abscisse x de chacun des points du milieu.
Dfinition: On appelle longueur d'onde (note ) la
priode spatiale de l'onde progressive priodique.
L'onde prsente donc une double priodicit:
une priodicit temporelle de priode T (exprime en secondes).

une priodicit spatiale de priode (exprime en mtres).
5. Relation entre priode T et longueur d'onde
La longueur d'onde est la distance parcourue

par l'onde pendant une dure gale sa
priode.
= V.T
en mtres
v en mtres par seconde
avec
T en secondes
6. Points vibrants en phase points vibrants en opposition de phase
Les points M, M' et M'' conservent la mme longation quelque soit l'instant t. On dit que les
points M, M' et M'' vibrent en phases.
Remarque: tous les points dune corde, spars par des distances , 2, , n (n ) ont
tout instant la mme longation: ils vibrent donc en phase
n
Deux points de la corde spars par des distances
,
2
, 2
, . , n
tout instant des longations opposes: ils vibrent en opposition de phase
49
ont
(2n 1)
2
(C) Wahab Diop
IV.
Cas des ondes deux ou trois dimensions

1. Ondes la surface de l'eau
Ondes circulaires
Les points M1 et M2 vibrent en phase si |d2-d1| = k. .
Ondes rectilignes
Les points M1 et M2 vibrent en phase si d = k. .
2. Ondes sonores
Les ondes sonores sont des ondes mcaniques longitudinales de compressiondilatation. Elles ne peuvent se propager dans le vide et leur propagation
ncessite un milieu matriel lastique. Les points M1 et M2 vibrent en phase si
|d2-d1| = k. . (voir image ci-contre).
V.
Rflexion, rfraction, diffraction

1. Rflexion et rfraction la surface de l eau
a) Mise en vidence
50
(C) Wahab Diop
50
51
Onde
incidente
Onde
rflchie
i1
Milieu 1
Milieu 2
i2
Onde
rfracte
b) Dfinitions
Lorsqu une onde arrive contre un obstacle, elle est renvoye par celui-ci. Ce phnomne est
appel la rflexion.
La rfraction est le brusque changement de direction de propagation de l onde lorsqu elle
traverse la surface de sparation de deux milieux transparents.
c) Lois de la rflexion et de la rfraction: loi de Descartes
L onde incidente, l onde rflchie et l onde rfracte sont contenues dans un mme plan
appel plan d incidence.
L angle de rflexion est gal l angle d incidence.
L onde incidente et l onde rflchie sont situes de part et d autre de la normale la surface
de sparation.
Les ondes incidente et rflchie ont la mme longueur d onde , la mme clrit V donc la
mme priode T.
2. Diffraction d'une onde progressive sinusodale
Soit une onde plane priodique rencontrant un obstacle ou une ouverture.

Cas n1
L'ouverture est de grande taille par rapport la longueur
d'onde
( ngligeable par rapport a).
51
Cas n2
L'ouverture est de petite taille par rapport la longueur
d'onde
( non ngligeable par rapport a).
(C) Wahab Diop
Dans le cas n1, l onde est de mme nature que l onde incidente rectiligne mais elle pouse la forme
de l ouverture: elle est dite diaphragme.
Dans le cas n2, l'onde change de direction et de comportement sans changement de sa longueur
d'onde: elle est diffracte (le phnomne mis en vidence s'appelle la diffraction).
3. Interfrences mcaniques
Linterfrence est un phnomne qui rsulte de la superposition de deux ondes de mme nature et
de mme frquence. Les sources mettrices de ces ondes doivent tre cohrentes.
a) Dispositif exprimental
Une fourche munie de deux pointes est fixe lextrmit dun vibreur.
Les pointes O1 et O2 ont ainsi mme frquence et constituent deux
sources cohrentes. Elles font natre la surface de leau des ondes
circulaires.
b) Observations
A la surface libre du liquide on observe des rides fixes, bien nettes
52
(C) Wahab Diop
52
53
entre O1 et O2. Elles ont la forme darcs dhyperboles dont les foyers sont O1 et O2. On les appelle des
lignes ou des franges dinterfrence. Elles disparaissent si lune des pointes vibre sans toucher leau.
Remarque: Un milieu dispersif est un milieu ou la vitesse de propagation dune onde dpend de sa
frquence
c) Interprtation
Supposons que les deux pointes frappent leau exactement au mme instant: O1 et O2 constituent
alors deux sources synchrones. Si elles pntrent la mme profondeur dans leau elles constituent
des sources synchrones de mme amplitude.
Interfrences constructive
Lorsque les deux ondes issues de O1 et O2 arrivent en phase en un point M: les interfrences sont
constructives et les amplitudes des deux ondes s ajoutent (clairement).
53
(C) Wahab Diop
sommet
Sommet
+
Sommet
Creux
ondes dites en phase
Creux
ondes dites en phase
+
Creux
Interfrences destructives
Lorsque les deux ondes issues de O1 et O2 arrivent en opposition de phase en un point M: les
interfrences sont destructives et l'amplitude rsultant des deux ondes s'annule (obscurit).
Creux
Rien
ondes en opposition de phase
+
Sommet
54
(C) Wahab Diop
54
55
Exercices sur les ondes

mcaniques
Exercice 1: Les parties A et B sont indpendantes
Le long dune corde lastique, la clrit des branlements est c = 10 m.s1
Londe mise est une onde sinusodale de frquence N = 2,5 Hz.
1) Dfinir les concepts : signal ; onde et phnomne priodique.
2) Quelle est la priode des vibrations de cette onde ?
3) Calculer la longueur donde de cette onde.
Exercice 2:
Une trs longue corde lastique inextensible est dispose horizontalement sur le sol. A la date t = 0,
un oprateur cre une perturbation en imprimant une brve secousse verticale lextrmit S de la
corde.
La clrit de londe mcanique cre vaut v = 10 m.s1. La figure ci-dessous reproduit la courbe des
variations temporelles de laltitude yS du point source.
1) Un point P se trouve sur la corde une distance SP = 4,0 m de lextrmit. Quelle dure spare
lmission du signal en S et son arrive en P ?
2) Influence de quelques paramtres sur la clrit de londe.
Les courbes ci-aprs donnent lvolution au cours du temps du dplacement vertical dun point K de
la corde, situe la distance fixe d = SK du point source S; les conditions exprimentales sont
prcises pour chaque exprience.
Toutes les rponses doivent tre justifies en utilisant les reprsentations graphiques.
a) Influence de la tension de la corde.
Lors de lexprience 1.a, la tension est plus faible que lors de lexprience 1.b.
La tension de la corde modifie-t-elle la clrit, et si oui, dans quel sens ?
b) Influence de la masse de la corde.
55
(C) Wahab Diop
La masse linique est la masse par unit de longueur ; pour une corde de masse M et de longueur
L, on a donc :
M
L
La masse linique de la corde utilise pour lexprience 2.a est plus faible que celle de la corde
utilise pour lexprience 2.b.
La masse linique modifie-t-elle la clrit, et si oui, dans quel sens ?
56
(C) Wahab Diop
56
57
Aspect ondulatoire de la lumire.

I.
Gnralits
1. Sources lumineuses
On appelle source lumineuse un corps ou un dispositif qui met de la lumire. On distingue deux
types de sources:
-
sources primaires ou relles: ce sont des sources qui produisent elles-mmes la lumire
qu elles mettent. Exemples: bougie, lampe incandescente
sources secondaires ou apparentes: Ce sont des sources lumineuses qui ne produisent pas de
la lumire, elles ne font que diffuser les rayons reus d'autres sources lumineuses, c'est-dire qu'elles renvoient les rayons dans toutes les directions. . Exemples: lune, plante
Une source de lumire peut tre naturelle (exemples: le soleil, les toiles, la lave, luciole) ou
artificielle (exemples: lampe lectrique, le laser).
2. Classification des milieux matriels
On distingue entre:
-
Les milieux transparents: ils se laissent parfaitement traverser par la lumire et permettent
de percevoir travers eux nettement des objets placs derrire.
Exemples: l air, le verre, l eau, la cellophane, etc.
Les milieux translucides: ils se laissent traverser par la lumire en l absorbant partiellement
et ne permettent pas de percevoir nettement les objets (sinon seulement les contours).
Exemples: le verre dpoli, le papier huil, la porcelaine mince, etc.
Les milieux opaques: ils arrtent totalement la lumire.
Exemples: le bois, la pierre, les mtaux, etc.
Remarque: la transparence et l opacit sont toutefois des proprits relatives qui dpendent de
l paisseur des milieux traverss. Ainsi par exemple une feuille d or trs mince quelques micromtre)
devient translucide; d autre part, l eau sous une paisseur de quelques dizaines de mtres, devient
opaque.
3. Propagation rectiligne de la lumire
a) Exprience 1
57
(C) Wahab Diop
Observation: la tche lumineuse observe sur l cran est nettement limite et correspond la
section par l cran du cne ayant pour sommet S et s appuyant sur les contours du diaphragme.
b) Exprience 2
Remarque: le pinceau de lumire est rendue visible avec l aide de la fume d une cigarette.
c) Conclusion:
Principe: dans un milieu transparent, homogne (qui a les mmes proprits en tous ses points) et
isotrope (qui a les mme proprits dans toutes les directions), la lumire se propage en ligne droite.
Remarque: La formation des ombres est une consquence immdiate de la propagation rectiligne de
la lumire.
4. Rayon et faisceau lumineux
La direction suivant laquelle se propage la lumire s appelle rayon lumineux. Un tel rayon n a
cependant pas d existence physique relle (il ne peut pas tre isol). En ralit on dispose de
faisceaux lumineux qui sont considrs comme un ensemble de rayons lumineux.
Faisceau parallle
Faisceau convergent (tous les rayons qui le
composent se dirigent vers un point; le faisceau
se resserre)
Faisceau divergent (tous les rayons qui le
composent viennent d un mme point; le
faisceau s largit)
Remarque: on appelle pinceau lumineux un faisceau troit.
II.
Rflexion, rfraction et diffraction de la lumire

1. Rflexion de la lumire
a) Le phnomne de la rflexion
La lumire qui tombe sur un miroir plan (ou sur toute autre surface suffisamment bien polie) est
renvoye dans une direction privilgie: c est la rflexion.
58
(C) Wahab Diop
58
59
b) Lois de la rflexion
MP = miroir plan
I = point d incidence
SI = rayon incident
IR = rayon rflchi
i = angle d incidence
r = angle de rflexion
1re loi: le rayon incident, la normale au miroir au point d incidence et le rayon rflchi sont situs
dans un mme plan.
2me loi: l angle d incidence et l angle de rflexion sont gaux: i
2. La rfraction de la lumire
a) Mise en vidence du phnomne de la rfraction
Le milieu 1 est de l air et le milieu 2 de l eau.

S est la surface de sparation des deux milieux; S s appelle surface rfringente ou dioptre.
I est le point d incidence.
NIN est la normale au dioptre au point d incidence
59
(C) Wahab Diop
Dfinition: On appelle rfraction le brusque changement de direction que subit la lumire en

traversant la surface de sparation de deux milieux transparents.
Remarque:
-
la rfraction s accompagne toujours de la rflexion sur la surface de sparation des deux

milieux d une faible partie de la lumire incidente.
Lorsque le rayon rfract se rapproche de la normale NIN , le second milieu est dit plus
rfringent que le premier milieu
Lorsque le rayon rfract s loigne de la normale NIN , le second milieu est moins rfringent
que le milieu un.
b) Les lois de la rfraction

Les lois de la rfraction dfinissent la direction du rayon rfract partir du plan d incidence et de
l angle d incidence.
1re loi: le rayon incident, la normale la surface de sparation et le rayon rfract sont situs dans
un mme plan. Le rayon incident et le rayon rfract sont situs de par et d autre de la normale au
point d incidence.
2me loi: Lors du passage dun rayon lumineux dun milieu 1 dindice dans un milieu dindice, les
angles dincident et rfract vrifient n1sini1 n2sin2 (relation ne pas valuer)
3. Diffraction de la lumire
Dirigeons un faisceau lumineux sur un cran portant une ouverture.
o
OUVERTURE DE GRANDE DIMENSION : PHENOMENE DE DIAPHRAGME
La lumire pouse la forme de la fente sa traverse : on dit quelle

est diaphragme par la fente.
o
OUVERTURE DE QUELQUE MILLIMETRE : PHENOMENE DE DIFFRACTION
Pour isoler un rayon lumineux on peut rduire la fente ou le diamtre de louverture circulaire.
Ralisons l'exprience suivante:
60
(C) Wahab Diop
60
61
On observe sur l'cran une figure de diffraction. Ce phnomne se produit lorsque l'ouverture par
laquelle passe la lumire est de petite taille. On dit que l'ouverture a diffract (met dans toutes les
directions) la lumire du laser.
Remarque:
Plus l'ouverture est petite, plus le phnomne de diffraction est marqu.

Le phnomne de diffraction met en dfaut le principe de propagation rectiligne de la lumire
dans un milieu homogne. Le concept de rayon lumineux apparat comme une approximation
consistant ngliger le phnomne de diffraction.
Si l'ouverture est une fente, on observe la figure ci-contre. On observe un trait, ou frange, plus
lumineuse et plus large que les franges qui l'entourent.
III.
Modle ondulatoire de la lumire
De faon gnrale, la lumire peut tre considre comme une onde lectromagntique. En
particulier, la lumire mise par le laser peut-tre dcrite comme une onde lectromagntique
sinusodale de frquence donne.
1. Propagation
La lumire se propage dans le vide, et dans les milieux transparents (air, eau, gaz, verre, etc.). Dans le
vide, la clrit de la lumire est c = 299 792 458 m.s-1 (on retiendra c
3.108 m.s-1).
Remarque:
La clrit de la lumire dans le vide ne dpend pas de la frquence de l'onde.
La clrit de la lumire dans l'air est pratiquement gale celle dans le vide (cair
Dans un milieu matriel transparent, la vitesse v est infrieure C :
C
v= n
61
avec n
cvide).
1 (indice de rfraction du milieu).
(C) Wahab Diop
2. Les priodicits
Une onde lumineuse a une double priodicit
-
une priodicit temporelle T

une priodicit spatiale, de priode appel longueur donde.
La frquence note pour une onde lumineuse, caractrise la priodicit temporelle et ne dpend
que du milieu :
1
T
La longueur donde 0 dans le vide ou dans lair et la frquence sont lies par lexpression :
CT
Remarque : la diffraction dune onde par une ouverture se manifeste lorsque les dimensions de celleci sont de lordre de la longueur donde.
IV.
Couleur et longueur d'onde

1. LUMIERE MONOCHROMATIQUE
Dfinition : On appelle lumire monochromatique une onde lectromagntique progressive

sinusodale de frquence donne. La couleur de cette lumire est lie la valeur de sa frquence.
2. LUMIERE VISIBLE
Dfinition : On appelle lumire une onde lectromagntique visible par l'il humain.
62
(C) Wahab Diop
62
63
V.
Interfrences lumineuses : Exprience de la double fente de Young

1. MISE EN EVIDENCE DES INTERFERENCES LUMINEUSES
Aspect de l'cran dans l'cran

d'Young
2. OBSERVATIONS
On observe sur lcran E une tche de diffraction strie de fines bandes
sombres (ou franges) rectilignes, parallles, quidistantes et de direction
normale la direction S1S2. Lensemble des franges alternativement claires
et sombres constituent des franges dinterfrences.
Si les ouvertures sont des fentes, on observe la figure ci-contre.
3. INTERPRETATION THEORIQUE
Pour expliquer les rsultats de lexprience, il faut considrer le caractre
ondulatoire de la lumire
Interfrences constructives et destructives
En un point M dune frange brillante se superposent les ondes lumineuses issues des fentes S1 et S2,
arrivant en phase : les interfrences sont constructives.
En un point M dune frange sombre se superposent les ondes lumineuses issues des fentes S1 et S2,
arrivant en opposition de phase : les interfrences sont destructives.
63
(C) Wahab Diop
Exercices sur l'aspect

ondulation de la lumire
Exercice 1:
1) La lumire se . dans les milieux matriels
2) Dans un milieu transparent homogne, la lumire se propage en .
3) Un matrialise la direction de propagation de la lumire.
4) Les sources de lumire sont de deux types : les sources dites qui produisent par elles-mmes
la lumire et les sources dites . qui, lorsquelles sont claires, renvoient dans toutes les
directions une partie de la . quelles reoivent.
Exercice 2:
Un rayon lumineux tombe sur la surface de sparation de deux milieux transparents (1) et (2) (voir
figure).On observe les rayons reprsents ci-dessous :
1) Quels sont les phnomnes physiques susceptibles de se produire ? Dfinir ces phnomnes.
2) Identifier le rayon incident, le rayon, le rayon rflchi et le rayon rfract.
3) Rappeler les lois de Descartes relatives ces phnomnes.
Milieu 1
Milieu 2
Exercice 3 :
A- Pour les phrases suivantes prciser, dans lordre, les mots manquants.
1) Le rayon lumineux qui arrive la surface de sparation de deux milieux transparents est le
. .. Le rayon qui se propage dans le second milieu est le . tandis
que celui qui retourne dans le premier est le
2) Le rayon renvoy par le miroir dans une direction privilgie est appele
64
(C) Wahab Diop
64
65
3) Le phnomne des interfrences lumineuses illustre laspect de la ..

B- Rappeler les lois de Descartes pour :
- la rflexion
- rfraction.
Exercice 4:
Un pinceau lumineux SI se propageant dans lair arrive en I sur la surface de sparation de lair et de
leau avec un angle dincidence i1 = 40.
1) Faire un schma de la situation.
2) Enoncer les lois de la rflexion.
3) Reprsenter un rayon rflchi en prcisant la mesure en prcisant la mesure de langle de
rflexion i.
4) Enoncer les lois de la rfraction.
5) Reprsenter un rayon rfract sachant que l'angle rfract i2=30.
65
(C) Wahab Diop
Aspect corpusculaire de la lumire ; Dualit onde-corpuscule

I.
Mise en vidence de leffet lectrique

1. Exprience de Hertz (1887)
On envoie un faisceau de lumire riche en rayons ultraviolet sur une lame de zinc relie un
lectroscope initialement charg, on constate que:
-
Si llectroscope est charg positivement: il ne se passe rien (les feuilles restent carter)
Si llectroscope est charg ngativement il se dcharge (les feuilles retombent)
Si on interpose sur le trajet de la lumire une lame de verre le phnomne ne se produit
plus.
2. Analyse de lexprience
Lorsque la lame de zinc et le plateau de llectroscope sont chargs ngativement, ils portent un
excdent dlectrons. Quand la lame est expose la lumire, des lectrons sont arrachs du mtal:
cest leffet photolectrique.
-
si llectroscope est charg on peut considrer que les lectrons extraits sont rattirs par
la lame.
Si llectroscope est charg ngativement, les lectrons extraits sont repousss par la lame
qui se charge . Les charges ngatives portes par llectroscope viennent neutraliser les
charges positives de la lame donc llectroscope se dcharge et les feuilles tombent.
Llectroscope est charg ngativement, si on intercale une lame de verre sur le trajet de la
lumire, celui-ci ne se dcharge pas car le verre absorbe le rayonnement ultraviolet. Seules
certaines radiations sont capables de provoquer dans le cas du zinc lmission dlectrons.
3. Conclusion
Leffet photolectrique est lmission dlectrons par un mtal lorsquil est clair par une lumire
convenable.
66
(C) Wahab Diop
66
67
4. Cas de la cellule photolectrique
Lorsquelle est claire par une lumire convenable la cathode C

met des lectrons. Ces lectrons sont capts par lanode A qui est
port un potentiel positif. Il en rsulte dans le circuit extrieur un
courant de faible intensit dcel par le galvanomtre G.
II.
Interprtation de leffet photolectrique
1. Hypothse dEinstein
Une onde lectromagntique, comme toute onde, transporte de l'nergie. On peut s'attendre ce
qu'un faisceau de forte intensit apporte l'nergie ncessaire pour extraire des lectrons d'un mtal.
Or l'tape 3 de l'exprience d'Hertz montre qu'il n'en est pas toujours ainsi. L'nergie apporte, bien
que quantitativement suffisante, ne l'est pas qualitativement. Pour expliquer l'effet photolectrique,
nous devons renoncer au modle ondulatoire et recourir au modle corpusculaire de la lumire.
Einstein interprte leffet photolectrique en formulant les hypothses (ou postulats) suivantes.
-
la lumire est constitue par un ensemble de corpuscules, appels photons, transportant

chacun un quantum (des quanta) dnergie.
Un photon a une charge nulle et une masse nulle; il se dplace la vitesse de la lumire, soit
C 3.108m/s dans le vide.
Chaque photon dun rayonnement monochromatique de frquence transporte un quantum
hC
34
dnergie: E=h.= avec h la constante de Planck (h=6,623.10
Js), C la vitesse de
lumire dans le vide (en m/s) et la longueur donde dans le vide (en m). E sexprime en
joule (J).
Leffet photolectrique correspond linteraction (choc) entre un photon incident et un
lectron du mtal avec transfert de lnergie du photon llectron extrait.
2. Seuil photolectrique
Leffet photolectrique ne se produit que si lnergie du photon incident E h est suprieure au

travail dextraction W0 dun lectron du mtal. (W 0=h 0 nergie dextraction qui ne dpend que de
la nature du mtal). W0 reprsente l'nergie de liaison de l'lectron au rseau mtallique. Lorsqu'un
lectron absorbe un photon, trois cas sont envisageables :
L'nergie du photon est gale au travail d extraction de l'lectron h

W0
- L'nergie du photon suffit tout juste expulser l'lectron hors du mtal!
W0
- La frquence correspond alors la frquence seuil du mtal :
0
h
-
La longueur d onde correspond alors la longueur d onde seuil:
L'nergie du photon est infrieure au travail d extraction: h W0
hC
W0
L'nergie h du photon incident est insuffisante pour extraire un lectron du mtal : l'effet
67
(C) Wahab Diop
photolectrique ne se produit pas et l'lectron reste prisonnier du rseau mtallique.

L'nergie du photon est suprieure au travail d extraction: h > W0 > 0
0
L'lectron capte l'nergie h . Une partie, W0 de cette nergie sert librer l'lectron du rseau
mtallique; l'lectron conserve l'excdent sous forme d'nergie cintique Ec :
valuons la vitesse djection des lectrons de latome. Soit EC lnergie cintique des lectrons.
EC =EW0=h (0)=hC
2
1 1
m ( vmax ) =h (0)=hC
0
m est la masse dun lectron: m= 9,1.10-31 kg.

III.
68
Dualit onde corpuscule

certains phnomnes (interfrence, diffraction) sexpliquent en considrant que la lumire
se comporte comme une onde lectromagntique: cest la thorie ondulatoire dveloppe
par Maxwell et Fresnel au 19e sicle.
dautres phnomnes par contre (effet photolectrique, les ractions photochimiques)
sexpliquent par la thorie corpusculaire: la lumire a une structure discontinue. Constitue
de grains de photons.
ces deux thories (corpusculaire et ondulatoire) en apparence antagonistes sont incompltes
mais complmentaires. Louis de Broglie en 1923 a eu lide dassocier ces deux thories:
cest la thorie de la mcanique quantique. Dans cette thorie la lumire se comporte la
fois comme un flux de particules et comme une onde. A toute onde lectromagntique de
frquence on associe des photons dnergie E h. Suivant le phnomne physique lun
des aspects de la lumire sestompe tandis que lautre saffirme. Si est leve ( faible)
laspect corpusculaire lemporte et si est faible ( lev) laspect ondulatoire lemporte.
(C) Wahab Diop
68
69
Exercices sur l'aspect

corpusculaire de la lumire
Exercice1:
Une lumire polychromatique comprenant trois radiations (1=450 nm ; 2= 610 nm ; 3=750 nm)
irradie un chantillon de potassium, contenu dans une ampoule. L'nergie d'ionisation vaut 2,14 eV
(nergie ncessaire arracher un lectron de l'atome de potassium).
1) Calculer la longueur d onde 0 seuil du sodium.
2) Quelle(s) radiation(s) donne(nt) lieu l'effet photolectrique ?
3) Quelle est la vitesse des lectrons expulss du mtal ?
Masse de l'lectron 9,1 10-31 kg.
Exercice 2 :
Pour les phrases suivantes indiquer, dans lordre, les mots manquants.
1) Latome de chlore a pour symbole 3517Cl.Il est form de ........protons, de ..neutrons et de
.lectrons .Le nombre de nuclons dans le noyau est.
2) Un mtal convenablement clair par de la lumire met des lectrons : cest
leffet..Cet effet met en vidence le caractre de la lumire.
3) La vitesse de la lumire dans le vide est gale .km/s .Cette vitesse diminue quand la
densit du milieu travers
4) Leffet photolectrique prouve que la lumire est constitue de particules appeles La
quantit dnergie que transporte chacune de ces particules est appele ..La lumire a
donc une structure .ou
Exercice 3 :
On considre un mtal pour lequel le travail dextraction dun lectron est Wo = 1,9 eV.
1) Quelle est la longueur donde o du seuil photolectrique ?
2) Quelles sont les longueurs donde des radiations susceptibles de donner leffet photolectrique ?
3) Une radiation de longueur donde = 0,40 m permet-elle leffet photolectrique ? Justifier.
On donne : constante de Planck : h = 6,62.10-34 J.s-1 ;
Clrit de la lumire dans le vide : C = 3,00.108 m/s ; Masse de llectron : me = 9,10.10-31kg
Exercice 4 :
Clrit de la lumire C = 3,00.108 m/s.
1) On donne les longueurs donde dans le vide (en nm) et une srie de couleurs.
Associer les longueurs donde dans le vide et les couleurs.
69
(C) Wahab Diop
Les couleurs sont :

(nm)
Couleurs
Jaune
480
?
Bleu
590
?
Rouge
660
?
2) Une lampe mercure, utilise pour le bronzage du visage met une radiation de frquence
1,18.1015 Hz.
a) Calculer sa longueur donde dans le vide.
b) A quel domaine appartient-elle ?
400 nm
visible
750 nm
Exercice 5
70
(C) Wahab Diop
70
71
Exercice 6
Exercice 7
71
(C) Wahab Diop
Exercice 8
Exercice 9
72
(C) Wahab Diop
72

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COURS DE PHYSIQUE TERMINALE L2

COURS DE PHYSIQUE TERMINALE L2

Notes de Cours |Serigne Abdou Wahab Diop

M. Wahab Diop| Lyce Seydina Limamou Laye | http://physiquechimie.sharepoint.com

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Rappels et complments (classe de 1re)

Table des matires

Notion d nergie ..................................................................................................................... 6

Les diffrentes sources d nergie ........................................................................................... 6

Expression de quelques formes d nergie .............................................................................. 7

Conversions d nergie ............................................................................................................. 7

Quelques notions indispensables ................................................................................................ 7

Intensit du courant ................................................................................................................ 7

Diffrence de potentiel (d.d.p.) ou tension lectrique ........................................................... 7

Puissance lectrique ................................................................................................................ 8

nergie mise en jeu ................................................................................................................. 8

Production, transport et utilisation de l lectricit ......................................................................... 9

Quelques dfinitions ............................................................................................................... 9

Puissance et rendement d un alternateur .............................................................................. 9

Les transformateurs .................................................................................................................. 10

Symbole d un transformateur ............................................................................................... 10

Fonctionnement et rle d un transformateur....................................................................... 10

Puissance et rendement d un transformateur ...................................................................... 11

Production et transport de l lectricit ................................................................................. 11

Production de l lectricit: centrales lectriques ................................................................. 11

Transport de l lectricit ....................................................................................................... 13

Rle du transformateur dans le transport de l lectricit .................................................... 14

Utilisation domestique .......................................................................................................... 14

Facturation: Exercice: Bac 2010 ............................................................................................ 15

Danger du courant lectrique ............................................................................................... 16

nergie nuclaire: raction spontanes, fusion et fission ............................................................... 26

Caractristiques du noyau ..................................................................................................... 26

Notion d isotopie ................................................................................................................... 26

M. Wahab Diop Lyce Seydina Limamou Laye http://physiquechimie.sharepoint.com

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COURS DE PHYSIQUE TERMINALE L2

Le rapport entre masse et nergie. ........................................................................................... 27

Dfaut de masse: cohsion des noyaux atomiques .............................................................. 27

La thorie d Einstein .............................................................................................................. 27

Unit de masse atomique (u) et nergie ............................................................................... 27

nergie de cohsion (liaison) d'un noyau .............................................................................. 28

nergie de liaison par nuclon .............................................................................................. 29

Lois de conservation: lois de Soddy....................................................................................... 29

Les divers types de radioactivit. .......................................................................................... 29

Ractions nuclaires provoques: fission et fusion. ............................................................. 32

nergie libre lors d'une raction nuclaire ....................................................................... 34

Caractre alatoire ................................................................................................................ 34

Priode radioactive ou demi-vie ........................................................................................... 34

Loi de dcroissance ............................................................................................................... 35

Activit radioactive ................................................................................................................ 35

Les applications civiles des ractions nuclaires. .................................................................. 36

Bombe atomique ................................................................................................................... 36

Centrale nuclaire ................................................................................................................. 36

Bombes thermonuclaires .................................................................................................... 36

nergie stellaire ..................................................................................................................... 37

Effets biologiques de la radioactivit .................................................................................... 37