introduction à la physique atomique et nucléaire
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Introduction à la physique atomique et nucléaire. Chapitre 2 Le langage scientifique : les unités. Préambule. Avant de parler de l’atome et du noyau, il est nécessaire de définir le langage scientifique quantitatif, le système d’unités, qui sera employé. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
2014-12-29Guy COLLIN,
Introduction à la physique atomique et nucléaire
Chapitre 2
Le langage scientifique : les unités
2014-12-29
Préambule
• Avant de parler de l’atome et du noyau, il est
nécessaire de définir le langage scientifique
quantitatif, le système d’unités, qui sera
employé.
• Il en est de même des unités pas toujours très
rationnelles.
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Les qualités d’un système d’unités
• Simplicité (références simples).• Des unités dont les grandeurs sont
compatibles avec les usages envisagés.– Le système CGS avait retenu le centimètre, le
gramme et la seconde.
• Un ensemble de multiples et de sous-multiples eux aussi simples.– À cet égard le système impérial anglais est à
proscrire (division par 12, par 3, par 2, …)
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Le système international ou SI
• Implanté à la fin du XVIIIe siècle, ce système était basé sur 3 unités de base :– Le mètre : 1/10 000 000 du ¼ du méridien
terrestre ;– Le kilogramme : le poids d’un échantillon
de référence déposé au Pavillon de Breteuil ;– La seconde.
• Les définitions des unités de base ont été améliorées et complétées au fur et à mesure que la science progressait.
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Le mètre1790 : Le 1/10 000 000 du ¼ du méridien
terrestre qui passe à Paris (précision : 100 m).
• 1960 : Le mètre devient égale à 1 650 763,73 fois la longueur d'onde dans le vide de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux 2P10 et 5D5 du krypton-86 (précision 0,01 mm).
• 1983 : Le mètre est le trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde.
• 1793 : Définition de la longueur sur un étalon (précision : 10 µm).
• 1903 : Étalon de platine iridié : 8 exemplaires (précision : 1 µm).
Équateur
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Le kilogramme
• 1793 : il était le poids d’un décimètre cube d’eau à son maximum de densité (4 °C) (différence de 27 mg avec la définition actuelle).
• 1889 : c’est la masse d’un prototype en platine iridié (un cylindre de diamètre identique à sa hauteur) qui a été déposé au pavillon de Breteuil à Sèvres (région parisienne).
• Attention à la différence entre poids et masse : poids = masse accélération de la pesanteur.
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Le kilogramme
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La seconde
• Cela a déjà été le 1/86 400 de la durée du jour solaire moyen
• ou comme la fraction 1/31 556 925,9747 de l’année tropique de 1900.
• La seconde est égale à la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133 !
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• 46 avant J.-C. fut institué le calendrier julien avec une année de 365 j 1/4, donc avec une année bissextile au 4 ans.
• Année tropique = 365 + 1/4 - 3/400 - 3/10 000 jours.• 15 siècles plus tard le calendrier julien avait pris du retard
par rapport à la position de la Terre : on supprime 10 jours.• 1582 : les années séculaires (1700, 1800, 1900,...) ne
seraient pas bissextiles sauf celles divisibles par 400.• On devra encore introduire une correction d’une journée
après quelque 3333 ans !
Le calendrier
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Grandeur Unité Symbole Unité de base
longueur mètre m L
masse kilogramme kg M
temps seconde s T
température degré kelvin K
courant électr. ampère A I
Qté de matière mole mol N
I. lumineuse candela cd J
Les unités de base du SI
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Quelques règles d’écriture
• Écriture prescrite Écriture interdite• 1 ampère ou 1 A 1 Ampère * • 10 mètres et 10 m 10 ms (pluriel de m)• 1 000 m et 1 km 1 000 m. ** • symboles après des chiffres symbole dans un texte• N m ou N • m N × m• C / m ou C • m-1 C / kg / m• 4,35 km et 5,3 A 4.35 km et 5.3 A
* Note : 1 Celcius; ** sauf à la fin d’une phrase.
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L’échelle Tfus. eauTébull.
eauÉchelle
centésimale
Celcius 0 100
Farenheit 32 210
Rankine 491,67 ° 671,67 ° -
Réaumur 0 80 -
Kelvin 273,15 373,15
Des échelles de température
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Grandeur Unités Symbole Unité de base
fréquence hertz Hz s 1
force newton N kg·m/s2 pression pascal Pa N/m2 énergie joule J N·m2
puissance watt W J / s charge électr. coulomb C A·s
. . .
Des unités dérivées du SI
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• Écriture prescrite Écriture interdite• 300 henry et 12 km 300henry et 12km• 35 345 m2 35345 m2
• 350 25 350 • 25
• kilomètre par seconde kilomètre/seconde• 1 km2 = 106 m2 1 000 m2 = 1 km2
D’autres règles d’écriture
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Grandeur Nom Unité
surface mètre carré m2
accélération mètre par seconde
carrée m/s2
masse volumique kg par mètre cube kg/m3
moment d’une force mètre Newton N·m
moment d’inertie kg mètre carré kg·m2
entropie joule par degré J/º
flux lumineux lumen cd/sr
D’autres unités dérivées
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Facteur Puissance Nom Symbole
1018 exa E
etc. 1015 peta P
1 000 000 000 000 1012 tera Ta
1 000 000 000 109 giga G
1 000 000 106 méga M
1 000 103 kilo k
a : ne pas confondre avec d’autres notions.
Les principaux multiples
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facteur puissance préfixe symbole 0,001 10
3 milli m 0,000 001 10
6 micro µ 0,000 000 001 10
9 nano n 0,000 000 000 001 10
12 pico p etc. 10
15 femto f 10
18 atto a
Les principaux sous-multiples
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D’autres systèmes de sous-multiples
Système décimal : base 10 du système métrique
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, … 100
main gauche base 5
certaine peuplade
Système pied - pouce : diviseur imprévisible…
Binaire base 2
ordinateur
01234101112131420
011011100101110111
Système sexagésimal, ...
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Autres unités permises ou tolérées
Nom Symbole
SI Nom Symbole
minute min 60 s degré d’arc °
heure h 3 600 s degré Celcius °C
litre L, 1 dm3 électron-volt eV
tonne t 1000 kg angström Å
hectare ha 104 m2 atmosphère atm
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Le SI et ses cousins
Système Principales unités de base
SI m kg s
CGS cm g s
m.t.s. m t s
litre-atm litre atmosphère
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Le système CGS et les chimistes
• La densité de l’eau = 1 g/cm3 à 4 °C.• Donc la masse d’un litre d’eau = 1 kg.• La calorie est l’énergie nécessaire pour chauffer 1 g
d’eau de 14,5 à 15,5 °C.• Le produit litre atmosphère est une énergie (voir
diapo suivante).• Le cm-1 est aussi l’énergie d’une vibration électro-
magnétique dont la longueur d’onde est de 1 cm.• . . .
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Un truc pour calculer la valeur de Rdans un système quelconque
On applique la formule :
PV = RT et R =
PVT
En SI : R = 101 325 Pa 0,0224 m3
273 K = 8,314 J/ (º mol)
En litre-atm :
R = 1 atm 22,4 litres
273 K = 0,0820 litre-atm/(º mole)
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Conclusion
• Un système d’unités : une notion fondamentale.
• Un système de références faciles à manipuler.
• Un système de diviseur également simple.• Le tout intégré dans un système rationnel.
Le SI !
Pour parler la même langue :