1.2 : La portée et l'échelle de la physique
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- Décrivez la portée de la physique.
- Calculez l'ordre de grandeur d'une quantité.
- Comparez quantitativement la longueur, la masse et les échelles de temps mesurables.
- Décrivez les relations entre les modèles, les théories et les lois.
La physique est consacrée à la compréhension de tous les phénomènes naturels. En physique, nous essayons de comprendre les phénomènes physiques à toutes les échelles, du monde des particules subatomiques à l'univers tout entier. Malgré l'ampleur du sujet, les différents sous-domaines de la physique partagent un noyau commun. La même formation de base en physique vous préparera à travailler dans n'importe quel domaine de la physique et dans les domaines connexes de la science et de l'ingénierie. Dans cette section, nous étudions la portée de la physique ; les échelles de longueur, de masse et de temps auxquelles les lois de la physique se sont révélées applicables ; et le processus par lequel la science en général, et la physique en particulier, fonctionnent.
La portée de la physique
Regardez à nouveau l'image miniature. La galaxie Whirlpool contient des milliards d'étoiles individuelles ainsi que d'énormes nuages de gaz et de poussière. Sa galaxie compagne est également visible sur la droite. Cette paire de galaxies se trouve à un milliard de milliards de miles (1,4 x 10 21 mi) de notre propre galaxie (appelée la Voie lactée). Les étoiles et les planètes qui composent la galaxie Whirlpool peuvent sembler les plus éloignées de la vie quotidienne de la plupart des gens, mais le Whirlpool est un excellent point de départ pour réfléchir aux forces qui unissent l'univers. On pense que les forces qui poussent la galaxie Whirlpool à agir ainsi sont les mêmes que celles que nous affrontons ici sur Terre, que nous prévoyions d'envoyer une fusée dans l'espace ou que nous prévoyions simplement de lever les murs d'une nouvelle maison. On pense que la gravité qui fait tourner et tourner les étoiles de la galaxie Whirlpool est la même que celle qui fait couler l'eau au-dessus des barrages hydroélectriques ici sur Terre. Quand tu regardes les étoiles, tu te rends compte que les forces présentes sont les mêmes que celles présentes sur Terre. L'étude de la physique vous permettra de mieux comprendre l'interconnexion de tout ce que nous pouvons voir et savoir dans cet univers.
Pensez maintenant à tous les appareils technologiques que vous utilisez régulièrement. Les ordinateurs, les smartphones, les systèmes de positionnement mondial (GPS), les lecteurs MP3 et la radio par satellite peuvent vous venir à l'esprit. Pensez ensuite aux technologies modernes les plus intéressantes dont vous avez entendu parler dans les journaux, telles que les trains qui lévitent au-dessus des voies ferrées, les « capes d'invisibilité » qui détournent la lumière autour d'eux et les robots microscopiques qui combattent les cellules cancéreuses de notre corps. Toutes ces avancées révolutionnaires, banales ou incroyables, s'appuient sur les principes de la physique. En plus de jouer un rôle important dans le domaine de la technologie, les professionnels tels que les ingénieurs, les pilotes, les médecins, les physiothérapeutes, les électriciens et les programmeurs informatiques appliquent les concepts de physique à leur travail quotidien. Par exemple, un pilote doit comprendre comment les forces du vent influent sur une trajectoire de vol ; un physiothérapeute doit comprendre comment les muscles du corps ressentent les forces lorsqu'ils se déplacent et se plient. Comme vous l'apprendrez dans ce texte, les principes de la physique sont à l'origine de nouvelles technologies passionnantes, et ces principes sont appliqués à un large éventail de carrières.
L'ordre sous-jacent de la nature rend la science en général, et la physique en particulier, intéressantes et agréables à étudier. Par exemple, qu'est-ce qu'un sac de puces et une batterie de voiture ont en commun ? Les deux contiennent de l'énergie qui peut être convertie en d'autres formes. La loi de conservation de l'énergie (selon laquelle l'énergie peut changer de forme mais n'est jamais perdue) lie des sujets tels que les calories alimentaires, les batteries, la chaleur, la lumière et l'observation des sources. La compréhension de cette loi permet de mieux connaître les différentes formes que prend l'énergie et la façon dont elles sont liées les unes aux autres. Des sujets apparemment indépendants sont liés par des lois physiques largement applicables, permettant une compréhension au-delà de la simple mémorisation de listes de faits.
La science comprend les théories et les lois qui sont les vérités générales de la nature, ainsi que l'ensemble des connaissances qu'elles englobent. Les scientifiques s'efforcent continuellement d'élargir cet ensemble de connaissances et de perfectionner l'expression des lois qui le décrivent. La physique, qui vient du grec phúsis, qui signifie « nature », vise à décrire les interactions entre l'énergie, la matière, l'espace et le temps afin de découvrir les mécanismes fondamentaux qui sous-tendent chaque phénomène. Ce souci de décrire les phénomènes fondamentaux de la nature définit essentiellement la portée de la physique.
La physique vise à comprendre le monde qui nous entoure au niveau le plus élémentaire. Il met l'accent sur l'utilisation d'un petit nombre de lois quantitatives à cet effet, qui peuvent être utiles à d'autres domaines qui repoussent les limites de performance des technologies existantes. Prenons l'exemple d'un smartphone (Figure\(\PageIndex{1}\)). La physique décrit la façon dont l'électricité interagit avec les différents circuits à l'intérieur de l'appareil. Ces connaissances aident les ingénieurs à sélectionner les matériaux et le schéma de circuit appropriés lors de la construction d'un smartphone. La connaissance de la physique sous-jacente à ces dispositifs est nécessaire pour réduire leur taille ou augmenter leur vitesse de traitement. Ou pensez à un GPS. La physique décrit la relation entre la vitesse d'un objet, la distance sur laquelle il se déplace et le temps qu'il faut pour parcourir cette distance. Lorsque vous utilisez un GPS dans un véhicule, il s'appuie sur des équations physiques pour déterminer le temps de trajet d'un endroit à un autre.
La connaissance de la physique est utile dans les situations de la vie quotidienne ainsi que dans les professions non scientifiques. Cela peut vous aider à comprendre comment fonctionnent les fours à micro-ondes, pourquoi il ne faut pas y mettre de métaux et pourquoi ils peuvent affecter les stimulateurs cardiaques. La physique permet de comprendre les dangers des rayonnements et de les évaluer de manière rationnelle et plus facile. La physique explique également pourquoi un radiateur de voiture noir aide à évacuer la chaleur du moteur d'une voiture et pourquoi un toit blanc aide à garder l'intérieur d'une maison frais. De même, le fonctionnement du système d'allumage d'une voiture ainsi que la transmission de signaux électriques à travers le système nerveux de notre corps sont beaucoup plus faciles à comprendre lorsqu'on les considère sous l'angle de la physique de base.
La physique est un élément clé de nombreuses disciplines importantes et contribue directement à d'autres. La chimie, par exemple, puisqu'elle traite des interactions entre les atomes et les molécules, est étroitement liée à la physique atomique et moléculaire. La plupart des branches de l'ingénierie s'intéressent à la conception de nouvelles technologies, de nouveaux processus ou de nouvelles structures dans le respect des contraintes imposées par les lois de la physique. En architecture, la physique est au cœur de la stabilité structurelle et intervient dans l'acoustique, le chauffage, l'éclairage et la climatisation des bâtiments. Certaines parties de la géologie reposent largement sur la physique, comme la datation radioactive des roches, l'analyse des tremblements de terre et le transfert de chaleur au sein de la Terre. Certaines disciplines, telles que la biophysique et la géophysique, sont des hybrides entre la physique et d'autres disciplines.
La physique a de nombreuses applications dans les sciences biologiques. Au niveau microscopique, il permet de décrire les propriétés des cellules et de leur environnement. Au niveau macroscopique, il explique la chaleur, le travail et la puissance associés au corps humain et à ses différents systèmes organiques. La physique est impliquée dans les diagnostics médicaux, tels que les radiographies, l'imagerie par résonance magnétique et les mesures du débit sanguin par ultrasons. La thérapie médicale fait parfois intervenir directement la physique ; par exemple, la radiothérapie anticancéreuse utilise des rayonnements ionisants. La physique explique également les phénomènes sensoriels, tels que la façon dont les instruments de musique émettent des sons, comment l'œil détecte les couleurs et comment les lasers transmettent des informations.
Il n'est pas nécessaire d'étudier formellement toutes les applications de la physique. Le plus utile est de connaître les lois fondamentales de la physique et de développer des compétences en matière de méthodes analytiques pour les appliquer. L'étude de la physique peut également améliorer vos compétences en résolution de problèmes. De plus, la physique conserve les aspects les plus fondamentaux de la science, de sorte qu'elle est utilisée par toutes les sciences, et l'étude de la physique facilite la compréhension d'autres sciences.
L'échelle de la physique
Il ressort clairement de la discussion qui a eu lieu jusqu'à présent que pour atteindre vos objectifs dans les différents domaines des sciences naturelles et du génie, une connaissance approfondie des lois de la physique est nécessaire. La raison en est simplement que les lois de la physique régissent tout ce qui se trouve dans l'univers observable à toutes les échelles mesurables de longueur, de masse et de temps. C'est assez facile à dire, mais pour comprendre ce que cela signifie réellement, nous devons être un peu quantitatifs. Donc, avant d'étudier les différentes échelles que la physique nous permet d'explorer, examinons d'abord le concept d' « ordre de grandeur », que nous utilisons pour comprendre les vastes plages de longueur, de masse et de temps que nous prenons en compte dans ce texte (Figure\(\PageIndex{2}\)).
Ordre de grandeur
L'ordre de grandeur d'un nombre est la puissance de 10 qui s'en rapproche le plus. Ainsi, l'ordre de grandeur fait référence à l'échelle (ou taille) d'une valeur. Chaque puissance de 10 représente un ordre de grandeur différent. Par exemple, 10 1, 10 2, 10 3, etc., sont tous des ordres de grandeur différents, tout comme 10 0 = 1, 10 −1, 10 −2 et 10 −3. Pour déterminer l'ordre de grandeur d'un nombre, prenez le logarithme en base 10 du nombre et arrondissez-le à l'entier le plus proche, puis l'ordre de grandeur du nombre est simplement la puissance résultante de 10. Par exemple, l'ordre de grandeur de 800 est 10 3 car log 10 800 ≈ 2,903, qui est arrondi à 3. De même, l'ordre de grandeur de 450 est de 10 3 car log 10 450 ≈ 2,653, qui est également arrondi à 3. Ainsi, nous disons que les nombres 800 et 450 sont du même ordre de grandeur : 10 3. Cependant, l'ordre de grandeur de 250 est 10 2 car log 10 250 ≈ 2,397, qui est arrondi à 2.
Un moyen équivalent mais plus rapide de trouver l'ordre de grandeur d'un nombre est d'abord de l'écrire en notation scientifique, puis de vérifier si le premier facteur est supérieur ou inférieur à\(\sqrt{10}\) = 10 0,5 ≈ 3. L'idée est que\(\sqrt{10}\) = 10 0,5 est à mi-chemin entre 1 = 10 0 et 10 = 10 1 sur une échelle logarithmique en base 10. Ainsi, si le premier facteur est inférieur à\(\sqrt{10}\), nous l'arrondissons à 1 et l'ordre de grandeur correspond simplement à la puissance de 10 requise pour écrire le nombre en notation scientifique. Par contre, si le premier facteur est supérieur à\(\sqrt{10}\), alors nous l'arrondissons à 10 et l'ordre de grandeur est supérieur d'une puissance de 10 à la puissance nécessaire pour écrire le nombre en notation scientifique. Par exemple, le nombre 800 peut être écrit en notation scientifique sous la forme 8 x 10 2. Comme 8 est plus grand que\(\sqrt{10}\) ≈ 3, nous disons que l'ordre de grandeur de 800 est 10 2 + 1 = 10 3. Le nombre 450 peut être écrit sous la forme 4,5 x 10 2, donc son ordre de grandeur est également 10 3 car 4,5 est supérieur à 3. Cependant, 250 écrit en notation scientifique vaut 2,5 x 10 2 et 2,5 est inférieur à 3, donc son ordre de grandeur est 10 2.
L'ordre de grandeur d'un nombre est conçu pour être une estimation approximative de l'échelle (ou de la taille) de sa valeur. Il s'agit simplement d'un moyen d'arrondir les nombres de façon constante à la puissance 10 la plus proche. Cela facilite les calculs mentaux approximatifs avec de très grands et très petits nombres. Par exemple, le diamètre d'un atome d'hydrogène est de l'ordre de 10 -10 m, alors que le diamètre du Soleil est de l'ordre de 10 9 m. Il faudrait donc environ 10 9 /10 −10 = 10 19 atomes d'hydrogène pour s'étendre sur le diamètre du Soleil. Cela est beaucoup plus facile à faire dans votre tête que d'utiliser les valeurs plus précises de 1,06 x 10 −10 m pour le diamètre d'un atome d'hydrogène et de 1,39 x 10 9 m pour le diamètre du Soleil, pour déterminer qu'il faudrait 1,31 x 10 19 atomes d'hydrogène pour s'étendre sur le diamètre du Soleil. En plus d'être plus facile, l'estimation approximative est aussi instructive que le calcul précis.
Gammes connues de longueur, de masse et de temps
L'immensité de l'univers et l'étendue de l'application de la physique sont illustrées par le large éventail d'exemples de longueurs, de masses et de temps connus (donnés en ordres de grandeur) dans la Figure\(\PageIndex{3}\). L'examen de ce tableau vous donnera une idée de l'éventail des sujets possibles en physique et en valeurs numériques. Un bon moyen d'apprécier l'étendue des plages de valeurs de la Figure\(\PageIndex{3}\) est d'essayer de répondre à quelques questions comparatives simples, telles que les suivantes :
- Combien d'atomes d'hydrogène faut-il pour s'étendre sur le diamètre du Soleil ?
- Combien de protons y a-t-il dans une bactérie ?
- Combien d'opérations en virgule flottante un superordinateur peut-il effectuer en une journée ?
- Répondez à une
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10 9 m/10 —10 m = 10 19 atomes d'hydrogène
- Réponse b
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10 —15 kg/10 —27 kg = 10 12 protons
- Réponse c
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10 5 s/10 —17 s = 10 22 opérations en virgule flottante
En étudiant Figure\(\PageIndex{3}\), prenez le temps de poser des questions similaires qui vous intéressent, puis essayez d'y répondre. Cela peut donner un peu de vie à presque tous les tableaux de chiffres.
Modèles de bâtiments
Comment en sommes-nous arrivés à connaître les lois qui régissent les phénomènes naturels ? Ce que nous appelons les lois de la nature sont des descriptions concises de l'univers qui nous entoure. Ce sont des déclarations humaines des lois ou des règles sous-jacentes que tous les processus naturels suivent. Ces lois sont intrinsèques à l'univers ; les humains ne les ont pas créées et ne peuvent pas les modifier. Nous ne pouvons que les découvrir et les comprendre. Leur découverte est une entreprise très humaine, avec tous les éléments de mystère, d'imagination, de lutte, de triomphe et de déception inhérents à tout effort créatif (Figure 1.5). La pierre angulaire de la découverte des lois naturelles est l'observation ; les scientifiques doivent décrire l'univers tel qu'il est, et non tel que nous l'imaginons.
Un modèle est une représentation de quelque chose qui est souvent trop difficile (voire impossible) à afficher directement. Bien qu'un modèle soit justifié par des tests expérimentaux, il ne décrit avec précision que certains aspects d'un système physique. Un exemple est le modèle de Bohr des atomes à électron unique, dans lequel l'électron est représenté comme étant en orbite autour du noyau, de la même manière que les planètes orbitent autour du Soleil (Figure\(\PageIndex{5}\)). Nous ne pouvons pas observer directement les orbites des électrons, mais l'image mentale permet d'expliquer certaines des observations que nous pouvons faire, comme l'émission de lumière par des gaz chauds (spectres atomiques). Cependant, d'autres observations montrent que l'image du modèle de Bohr ne correspond pas vraiment à ce à quoi ressemblent les atomes. Le modèle est « faux », mais il est tout de même utile à certaines fins. Les physiciens utilisent des modèles à des fins diverses. Par exemple, les modèles peuvent aider les physiciens à analyser un scénario et à effectuer un calcul ou les modèles peuvent être utilisés pour représenter une situation sous la forme d'une simulation informatique. En fin de compte, cependant, les résultats de ces calculs et de ces simulations doivent être revérifiés par d'autres moyens, à savoir l'observation et l'expérimentation.
La théorie du mot signifie quelque chose de différent pour les scientifiques de ce que l'on entend souvent lorsque le mot est utilisé dans une conversation quotidienne. En particulier, pour un scientifique, une théorie n'est pas la même chose qu'une « supposition », une « idée » ou même une « hypothèse ». L'expression « ce n'est qu'une théorie » semble dénuée de sens et stupide aux yeux des scientifiques parce que la science est fondée sur la notion de théories. Pour un scientifique, une théorie est une explication vérifiable des tendances de la nature, étayée par des preuves scientifiques et vérifiée à de nombreuses reprises par divers groupes de chercheurs. Certaines théories incluent des modèles pour aider à visualiser les phénomènes, alors que d'autres ne le font pas. La théorie de la gravité de Newton, par exemple, ne nécessite ni modèle ni image mentale, car nous pouvons observer les objets directement avec nos propres sens. La théorie cinétique des gaz, quant à elle, est un modèle dans lequel un gaz est considéré comme étant composé d'atomes et de molécules. Les atomes et les molécules sont trop petits pour être observés directement avec nos sens. Nous les imaginons donc mentalement pour comprendre ce que les instruments nous disent sur le comportement des gaz. Bien que les modèles soient uniquement destinés à décrire certains aspects d'un système physique avec précision, une théorie doit décrire tous les aspects de tout système relevant de son domaine d'applicabilité. En particulier, toute implication testable expérimentalement d'une théorie doit être vérifiée. Si une expérience montre qu'une théorie est fausse, la théorie est soit rejetée, soit modifiée de manière appropriée (par exemple, en limitant son domaine d'applicabilité).
Une loi utilise un langage concis pour décrire un schéma naturel généralisé étayé par des preuves scientifiques et des expériences répétées. Souvent, une loi peut être exprimée sous la forme d'une seule équation mathématique. Les lois et les théories sont similaires en ce sens qu'il s'agit à la fois de déclarations scientifiques résultant d'une hypothèse vérifiée et étayées par des preuves scientifiques. Cependant, la loi de désignation est généralement réservée à une déclaration concise et très générale qui décrit les phénomènes de la nature, tels que la loi selon laquelle l'énergie est conservée au cours de tout processus, ou la deuxième loi du mouvement de Newton, qui relie la force (F), la masse (m) et l'accélération (a) par la simple équation F = max. Une théorie, en revanche, est un énoncé moins concis du comportement observé. Par exemple, la théorie de l'évolution et la théorie de la relativité ne peuvent pas être exprimées de manière suffisamment concise pour être considérées comme des lois. La plus grande différence entre une loi et une théorie est qu'une théorie est beaucoup plus complexe et dynamique. Une loi décrit une action unique alors qu'une théorie explique tout un ensemble de phénomènes connexes. Les déclarations moins largement applicables sont généralement appelées principes (comme le principe de Pascal, qui ne s'applique qu'aux fluides), mais la distinction entre les lois et les principes n'est souvent pas faite avec soin.
Les modèles, les théories et les lois que nous élaborons impliquent parfois l'existence d'objets ou de phénomènes qui n'ont pas encore été observés. Ces prédictions sont des triomphes et des hommages remarquables au pouvoir de la science. C'est l'ordre sous-jacent de l'univers qui permet aux scientifiques de faire des prédictions aussi spectaculaires. Cependant, si l'expérimentation ne confirme pas nos prédictions, alors la théorie ou la loi est fausse, aussi élégante ou pratique soit-elle. Les lois ne peuvent jamais être connues avec une certitude absolue, car il est impossible de réaliser toutes les expériences imaginables pour confirmer une loi pour tous les scénarios possibles. Les physiciens partent du principe que toutes les lois et théories scientifiques sont valables jusqu'à ce qu'un contre-exemple soit observé. Si une expérience vérifiable et de bonne qualité contredit une loi ou une théorie bien établie, la loi ou la théorie doit être modifiée ou complètement renversée. L'étude de la science en général, et de la physique en particulier, est une aventure qui ressemble beaucoup à l'exploration d'un océan inexploré. Des découvertes sont faites ; des modèles, des théories et des lois sont formulés ; et la beauté de l'univers physique est rendue encore plus sublime grâce aux connaissances acquises.
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