Le programme de physique est traité en deux parties mêlant expérience et théorie par l’intermédiaire de cours, TP-cours et TP.
La première partie doit être vue en une dizaine de semaines. Elle doit permettre d’effectuer une transition entre le lycée et l’enseignement supérieur. Au cours de cette période un certain nombre d’outils et de méthodes sont introduits progressivement à partir de situations simples proches de celles rencontrées au lycée.
La deuxième partie nécessitera l’introduction d’outils mathématiques nouveaux qui seront présentés en fonction des besoins.
 

PROGRAMME PCSI (PREMIÈRE PARTIE)

I-APPROCHE THÉORIQUE

A)Mécanique du point

1. Description du mouvement d’un point et paramétrage d’un point.

Espace et temps.
Référentiel d’observation.
Description du mouvement : vecteurs position, vitesse et accélération.
Deux exemples de bases de projection orthogonales : vitesse et accélération en coordonnées cartésiennes (base fixe) et en coordonnées cylindro-polaires (base mobile).
Exemples du mouvement de vecteur accélération constant, du mouvement rectiligne sinusoïdal, du mouvement circulaire.

2. Dynamique du point en référentiel galiléen.

Notion de force.
Référentiels galiléens.
Lois de Newton : loi de l’inertie, loi fondamentale de la dynamique du point matériel, loi des actions réciproques.
Équation du mouvement.
Applications : mouvement dans le champ de pesanteur uniforme sans résistance de l’air puis avec résistance de l’air, mouvement d’une masse accrochée à un ressort dont l’autre extrémité est fixe.
Puissance et travail d’une force.
Théorème de l’énergie cinétique.

3. Problèmes à un degré de liberté.

3.1 Énergie potentielle dans les problèmes à un degré de liberté.
Énergie potentielle : exemples de l’énergie potentielle de pesanteur et de l’énergie potentielle élastique.
Énergie mécanique.
Cas de conservation de l’énergie mécanique.
Intégrale première de l’énergie.
Utilisation d’une représentation graphique de l’énergie potentielle : caractère borné ou non d’un mouvement.
Positions d’équilibre, stabilité.
Petits mouvements au voisinage d’une position d’équilibre stable.
Approche du portrait de phase.

3.2 Oscillateur harmonique à un degré de liberté.
Régimes libres d’un oscillateur harmonique à un degré de liberté amorti par frottement visqueux. Rôle de l’amortissement, facteur de qualité.

B) Électrocinétique

1. Lois générales dans le cadre de l'approximation quasi-stationnaire.

Notion d'intensité du courant.
Loi des nœuds.
Différence de potentiel (ou tension), potentiel.
Loi des mailles.
Puissance électrocinétique reçue par un dipôle.
Caractère générateur ou récepteur.

2. Circuits linéaires.

Dipôles modèles R, L, C.
Association des résistances en série, en parallèle.
Aspects énergétiques : énergie emmagasinée dans un condensateur et dans une bobine, puissance dissipée dans une résistance (effet Joule).
Modélisations linéaires d’un dipôle actif : générateur de courant (représentation de Norton) et générateur de tension (représentation de Thévenin) ; équivalence entre les deux modélisations.
Étude des circuits RC série, RL série, RLC série soumis à un échelon de tension.

II. APPROCHE EXPÉRIMENTALE

A) Formation des images optiques

1. Cours : formation des images dans les conditions de Gauss.

Notion de rayon lumineux.
Réfraction. Réflexion.
Miroir plan.
Miroirs sphériques et lentilles minces dans l’approximation de Gauss. Image réelle, image virtuelle. Relations de conjugaison et de grandissement.

a) Présentation des appareils usuels.
Sources de lumière : lampes spectrales, sources de lumière blanche, laser.
Lentilles minces, miroirs sphériques et plans. Banc d’optique.
Collimateur. Viseurs. Oculaires. Lunette autocollimatrice. Goniomètre.

b) Réglage et utilisation des appareils.
Mise en œuvre d’un objet réel ou virtuel, à distance finie ou infinie.
Centrage, alignement et réglage de hauteur.
Reconnaissance rapide du caractère convergent ou divergent d’une lentille, du caractère convexe ou concave d’un miroir sphérique ou de son caractère plan.
Réglage des oculaires, des viseurs, des lunettes autocollimatrices.
Rôle et réglage d’un collimateur.
Observation des images réelles ou virtuelles au viseur. Mesures de distances longitudinales.
Projection : obtention d’une image réelle à partir d’un objet réel.
Réglage d’un goniomètre. Mesures d’angles.

III. APPROCHE THÉORIQUE

A) Électrocinétique : circuits linéaires en régime sinusoïdal forcé

Signaux sinusoïdaux : amplitude, phase, pulsation, fréquence, différence de phase entre deux signaux synchrones.
Étude du circuit RLC série ; résonance (intensité, tension aux bornes du condensateur).
Régime sinusoïdal forcé.
Impédance et admittance complexes ; lois d’association.
Loi des mailles. Loi des nœuds ; son expression en termes de potentiels.
Puissance instantanée, puissance moyenne en régime sinusoïdal forcé. Valeur efficace. Facteur de puissance (cos f).
Aspects énergétiques de l’étude du circuit RLC série.
Filtres du premier et du second ordre passifs ou actifs : fonction de transfert, diagramme de Bode, comportements asymptotiques, pulsation(s) de coupure à –3 décibels, bande passante, facteur de qualité.
Utilisation de notations symboliques (p ou jw ou d/dt) pour une détermination rapide des régimes sinusoïdaux établis ou des régimes transitoires.
Critère de stabilité pour les systèmes du premier et du deuxième ordre.

B) Mécanique

1. Oscillations forcées dans les problèmes mécaniques à un seul paramètre.

Oscillateur harmonique amorti par frottement visqueux et soumis à une excitation sinusoïdale. Régime transitoire.
Solution particulière sinusoïdale : résolution par la méthode complexe.
Résonance en élongation, en vitesse et en puissance.

Moment d’une force par rapport à un point, par rapport à un axe orienté.
Moment cinétique par rapport à un point, par rapport à un axe orienté.
Théorème du moment cinétique en un point fixe, théorème du moment cinétique par rapport à un axe fixe.
Application au pendule simple.

3. Mouvements dans un champ de forces centrales conservatives.

3.1) Forces centrales conservatives.
Forces centrales F = F(r) ur où ur est le vecteur unitaire radial des coordonnées sphériques. Forces attractives et forces répulsives. Fonction énergie potentielle associée.
Exemple des forces de gravitation entre deux masses ponctuelles et des forces électrostatiques entre deux charges ponctuelles. Énergies potentielles associées.

3.2) Lois générales de conservation.
Conservation du moment cinétique par rapport au centre de forces et planéité du mouvement. Cas particulier des mouvements rectilignes.
Utilisation des coordonnées polaires. Intégrale première associée.
Interprétation cinématique : loi des aires.
Conservation de l’énergie et intégrale première de l’énergie.
Utilisation d’une énergie potentielle effective pour ramener, grâce aux lois de conservation, le problème primitif à l’étude du mouvement radial. Relation entre l’énergie mécanique et le type de trajectoire : états liés, états de diffusion.

3.3) Mouvement dans un champ de forces centrales newtonien.
Énoncé des lois de Kepler.
Nature des trajectoires dans le cas d’une force attractive (ellipses, paraboles et hyperboles, existence de trajectoires circulaires) et dans le cas d’une force répulsive.
Vitesse de libération.
Étude directe et propriétés particulières des trajectoires circulaires : relation entre énergie cinétique et énergie potentielle, relation entre rayon et vitesse, troisième loi de Kepler.
Étude des trajectoires elliptiques : relation entre l’énergie et le demi grand axe, troisième loi de Kepler.

4.1) Cinématique.
Mouvement d’un référentiel par rapport à un autre. Cas particuliers du mouvement de translation et du mouvement de rotation uniforme autour d’un axe fixe.
Définition des vitesses et des accélérations dans les deux référentiels.
Lois de composition des vitesses et des accélérations dans le cas d’une translation ou d’une rotation uniforme autour d’un axe fixe : vitesse d’entraînement, accélérations d’entraînement et de Coriolis.

4.2) Dynamique en référentiel non galiléen.
Principe de relativité galiléenne, référentiels galiléens. Invariance galiléenne des forces d’interaction.
Lois de la dynamique du point en référentiel non galiléen : « forces d’inertie » (pseudo-forces).
Les applications concernent uniquement le cas où le référentiel entraîné est en translation ou en rotation uniforme autour d’un axe fixe.

5. Système formé de deux points matériels.

5.1) Éléments cinétiques.
Quantité de mouvement ou résultante cinétique, moment cinétique en un point, énergie cinétique.
Centre de masse (ou centre d’inertie).
Référentiel barycentrique.
Moment cinétique barycentrique, énergie cinétique barycentrique, théorèmes de Kœnig.

5.2) Dynamique du système.
Forces intérieures, forces extérieures.
Théorèmes du centre de masse (ou de la quantité de mouvement) dans un référentiel galiléen, du moment cinétique en un point fixe d’un référentiel galiléen, du moment cinétique par rapport à un axe fixe d’un référentiel galiléen.
Théorème de l’énergie cinétique dans un référentiel galiléen.
Puissance des forces intérieures.
Énergie potentielle.
Énergie mécanique.

5.3) Système isolé de deux points matériels.
Conservation de la quantité de mouvement.
Caractère galiléen du référentiel barycentrique.
Conservation du moment cinétique barycentrique et de l’énergie barycentrique.
Réduction du problème à deux corps à un problème à un corps (masse réduite, mobile équivalent).

6. Caractère galiléen approché de quelques référentiels d’utilisation courante.

Influence d’un champ extérieur de gravitation sur un système de deux points matériels en interaction gravitationnelle.
Quelques référentiels d’utilisation courante : référentiel de Copernic, référentiel de Kepler (héliocentrique), référentiel géocentrique, référentiel lié à la Terre. Poids d’un corps, champ de pesanteur.

Description des caractères généraux de la distribution des vitesses moléculaires (homogénéité, isotropie, vitesse quadratique moyenne).
Définition cinétique de la température, de la pression. Relation entre pression et vitesse quadratique moyenne.
Équation d'état du gaz parfait.
Énergie interne. Capacité thermique à volume constant.
Expressions de l’énergie interne du gaz parfait monoatomique, puis du gaz parfait non monoatomique.
Notions sommaires sur les fluides réels.
Notion de dilatation et notion de compressibilité d’un fluide.
Modèle d’une phase condensée incompressible et indilatable : énergie interne.

2. Éléments de statique des fluides dans le champ de pesanteur.

Relation dp/dz = -rg. Applications au cas d'un fluide incompressible et homogène et au cas de l'atmosphère isotherme dans le modèle du gaz parfait.
Poussée d'Archimède.

Premier principe. Énergie interne.
Transferts : transfert thermique (ou chaleur), travail ; cas particulier du travail des forces de pression.
Enthalpie ; capacité thermique à pression constante.
Enthalpie du gaz parfait.
Enthalpie d’une phase condensée dans le modèle incompressible et indilatable.
Détente de Joule-Gay-Lussac. Détente de Joule-Kelvin (ou Joule-Thomson).

4.Deuxième principe.bilans d'entropie

Deuxième principe. Évolutions réversibles et irréversibles. Fonction d’état entropie. Entropie créée, entropie échangée.
Identité thermodynamique fondamen­tale pour un fluide homogène dU = TdS – pdV ; définitions thermo­dynamiques de la pression et de la température.
Entropie du gaz parfait. Loi de Laplace.
Entropie d’une phase condensée dans le modèle incompressible et indilatable.
Notions élémentaires sur l'interprétation statistique de l'entropie : formule de Boltzmann.
Troisième principe de la thermodynamique.

5. Machines thermiques.

Application du premier principe et du deuxième principe aux machines thermiques cyclique dithermes : rendement, efficacité, théorème de Carnot.

Diagramme (p,T), point triple, point critique. Enthalpie et entropie de changement d'état.
Cas de l’équilibre liquide-vapeur : diagramme (p,v) (dit de Clapeyron), titre en vapeur, bilans d'enthalpie et d'entropie pour un système diphasé.

D.1) Électrostatique

Interaction de deux charges ponctuelles : loi de Coulomb. Champ électrostatique créé par une charge ponctuelle et par un ensemble de charges ponctuelles ; additivité des champs.
Distributions macroscopiques de charges réparties, densité volumique de charge. Modélisation à l’aide d’une densité surfacique ou linéique de charge.
Exemples de champ électrostatique créé par une distribution de charges conti-nûment répartie :
champ dans le plan médiateur d’un segment uniformément chargé
champ sur l’axe d’un disque uniformément chargé.
Recherche des plans de symétrie et d’antisymétrie, recherche des invariances par rotation, par translation, pour les distributions de charges.
Circulation du champ électrostatique ; potentiel électrostatique.
Relation locale E=-grad V.
Énergie potentielle d’une charge ponctuelle dans un champ électrostatique extérieur. Relation entre la force et le gradient de l’énergie potentielle.
Énergie potentielle d’interaction d’un système de deux charges ponctuelles.
Topographie : lignes de champ, tubes de champ, surfaces équipotentielles ; propriétés de symétrie du champ et du potentiel électrostatiques ; caractère polaire du champ électrostatique.
Flux du champ électrostatique. 
Théorème de Gauss.
Modélisation du condensateur plan à l’aide de deux plans parallèles uniformément chargés.
Analogie formelle avec le champ de gravitation ; théorème de Gauss pour le champ de gravitation. Application : équivalence du champ de gravitation d’une distribution de masse à symétrie sphérique à celui d’une masse ponctuelle.
Dipôle électrostatique : moment dipolaire électrique, potentiel et champ créés.
Action d’un champ électrostatique extérieur sur un dipôle :
- moment des forces
- nullité de la somme des forces dans le cas d’un champ uniforme
- énergie potentielle d’interaction d’un dipôle dans un champ extérieur ; analyse qualitative des effets d'un champ non uniforme sur un dipôle rigide.

2.1) Force de Lorentz
Force de Lorentz exercée sur une charge ponctuelle ; champ électrique E, champ magnétique B.
Puissance de la force de Lorentz.
Mouvement d’une particule chargée dans un champ électrostatique uniforme.
Mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique uniforme et indépendant du temps.

2.2)Applications à l’électrocinétique.
Milieux conducteurs, porteurs de charge. Densité de courant électrique, intensité. Loi d’Ohm locale dans un conducteur. Conductivité, résistivité.
Modèle des collisions pour la loi d’Ohm locale dans un métal.
Résistance électrique d’un conducteur « filiforme ».
Effet Hall dans un conducteur métallique rectiligne de section rectangulaire.
Force de Laplace : densité volumique, densité linéique pour un courant filiforme.

D.3) Magnétostatique

Distributions de courant électrique filiformes : recherche des invariances par rotation, par translation ; recherche de plans de symétrie et d’antisymétrie.
Champ magnétostatique B : loi de Biot et Savart pour les circuits fermés filiformes.
Topographie : lignes de champ et tubes de champ.
Propriétés de symétrie du champ magnétostatique ; caractère axial du champ B.
Flux de B, sa conservation
Circulation de B, théorème d’Ampère.
Exemples de calcul de champ B :
champ d’un fil rectiligne illimité, champ sur l’axe d’une spire circulaire et sur l’axe d’un solénoïde circulaire.
Limite du solénoïde infiniment long : champ en tout point intérieur.
Champ B créé par un dipôle magnétique.

IV. APPROCHE EXPÉRIMENTALE (DEUXIÈME PARTIE)

A) TP-COURS : L’instrumentation électrique au laboratoire

a) Présentation des appareils usuels

Oscilloscope à mémoire numérique, interfaçable numériquement.
Générateur de signaux électriques (BF) avec modulation interne en fréquence et sortie d’une tension image de la fréquence.
Alimentation stabilisée en tension.
Multimètre numérique.

b) Réglage et utilisation des appareils.

Fonctionnement et utilisation de l’oscilloscope : couplages d’entrée AC et DC, mode X-Y, mode balayage (déclenchement, synchronisation), mesures de tensions, périodes, différences de phases.
Utilisation des multimètres : mesure de la valeur moyenne et de la valeur efficace vraie, fonctionnement en ohmmètre.
Mesures d’impédances par diviseur de tension : résistance d’un résistor, résistance d’entrée d’un amplificateur (à ce stade, par exemple l’oscilloscope), résistance de sortie d’un amplificateur (à ce stade, par exemple l’étage de sortie d’un BF), inductance, condensateur.

B) TP-COURS : Réalisation de fonctions élémentaires