Le Livre de Physique : Volume 1

Par Simone Malacrida

Dans ce livre, la grande histoire des découvertes de la physique est retracée, depuis la révolution scientifique de Galilée et de Newton jusqu'à la physique d'aujourd'hui et du futur proche.
La compréhension de la physique est abordée à la fois d'un point de vue théorique, en exposant les définitions de chaque domaine particulier et les hypothèses sous-jacentes à chaque théorie, et sur le plan pratique, en résolvant plus de 350 exercices liés à des problèmes de physique de toutes sortes.
L'approche de la physique est donnée par des connaissances progressives, exposant les différents chapitres dans un ordre logique afin que le lecteur puisse construire un chemin continu dans l'étude de cette science.
L'ensemble du livre est divisé en cinq sections distinctes : la physique classique, les révolutions scientifiques qui ont eu lieu au début du XXe siècle, la physique du microcosme, la physique du macrocosme, et enfin les problèmes actuels qui sont le point de départ de la physique du futur. .
L'article se présente comme un ouvrage global sur la physique, n'omettant aucun aspect des multiples facettes qu'elle peut revêtir.

• Langue: Français
• Éditeur: Simone Malacrida
• Date de sortie: 22 janv. 2023
• ISBN: 9798215645611

Simone Malacrida

Simone Malacrida (1977) Ha lavorato nel settore della ricerca (ottica e nanotecnologie) e, in seguito, in quello industriale-impiantistico, in particolare nel Power, nell'Oil&Gas e nelle infrastrutture. E' interessato a problematiche finanziarie ed energetiche. Ha pubblicato un primo ciclo di 21 libri principali (10 divulgativi e didattici e 11 romanzi) + 91 manuali didattici derivati. Un secondo ciclo, sempre di 21 libri, è in corso di elaborazione e sviluppo.

Aperçu du livre

« Le livre de physique : volume 1 »

SIMONE MALACRIDA

Dans ce livre, la grande histoire des découvertes de la physique est retracée, depuis la révolution scientifique de Galilée et de Newton jusqu'à la physique d'aujourd'hui et du futur proche.

La compréhension de la physique est abordée à la fois d'un point de vue théorique, en exposant les définitions de chaque domaine particulier et les hypothèses sous-jacentes à chaque théorie, et sur le plan pratique, en résolvant plus de 350 exercices liés à des problèmes de physique de toutes sortes.

L'approche de la physique est donnée par des connaissances progressives, exposant les différents chapitres dans un ordre logique afin que le lecteur puisse construire un chemin continu dans l'étude de cette science.

L'ensemble du livre est divisé en cinq sections distinctes : la physique classique, les révolutions scientifiques qui ont eu lieu au début du XXe siècle, la physique du microcosme, la physique du macrocosme, et enfin les problèmes actuels qui sont le point de départ de la physique du futur. .

L'article se présente comme un ouvrage global sur la physique, n'omettant aucun aspect des multiples facettes qu'elle peut revêtir.

INDEX ANALYTIQUE

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INTRODUCTION _

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PREMIÈRE PARTIE : PHYSIQUE CLASSIQUE

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1 – LA MÉTHODE SCIENTIFIQUE

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2 – SYSTÈMES DE MESURE

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3 – MECANIQUE CLASSIQUE : KINÉMATIQUES

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4 – MECANIQUE CLASSIQUE : D Y NAMIC SET STATIQUES _

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5 – MÉCANIQUE CLASSIQUE : THÉORIE DE LA GRAVITATION

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6 – THÉORIE DES FLUIDES ET DYNAMIQUE DES FLUIDES

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7 - OPTIQUE

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8 – ONDES ET PHÉNOMÈNES OSCILLATOIRES

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9 – THERMODYNAMIQUE ET TRANSMISSION DE LA CHALEUR

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10 – PHYSIQUE STATISTIQUE

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11 - ELECTROMAGNETISME

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12 – CRISE DE LA PHYSIQUE CLASSIQUE

INTRODUCTION

Ce livre est né de la nécessité de réconcilier, en un seul texte, toutes les théories physiques étudiées à ce jour, complétées de leur cadre théorique et expérimental.

Il ne fait aucun doute que la physique, telle que nous la comprenons aujourd'hui, est née de l'introduction de la méthode scientifique, d'abord au niveau philosophique, puis au niveau expérimental et pratique.

Lorsque la méthode scientifique est entrée dans la pratique du raisonnement sur lequel fonder des hypothèses et des déductions, il y a eu un énorme saut de qualité par rapport à toutes les connaissances antérieures.

On peut dire que toutes les découvertes et applications qui ont eu lieu dans le passé par rapport à cet événement sont en fait le résultat d'approches semi-empiriques et pas exactement de la science telle que nous la comprenons aujourd'hui.

Ce point de non-retour était de nature à déterminer un tournant historique, de la même manière que nous sommes habitués à considérer des événements du calibre de la Révolution française, de la chute de l'Empire romain ou de la découverte de l'Amérique.

Depuis lors, l'investigation scientifique a connu une accélération impressionnante, allant dans tous les domaines de la connaissance et a imprimé sur la société, en termes d'applications et de conséquences quotidiennes, une empreinte résolument différente que par le passé, venant créer ces conditions et ces préalables nécessaires pour la révolution industrielle, qui s'est produite seulement moins de deux siècles après ces premières agitations scientifiques.

Une première césure de cette voie se produit avec la fin du XIXe siècle et avec le constat que, dans l'éventail des connaissances dans tous les secteurs, de telles contradictions avaient été atteintes que les schémas théoriques antérieurs devaient être complètement révisés.

De cette période, historiquement connue sous le nom de crise de la physique classique, sont nées les deux théories révolutionnaires du XXe siècle qui sont à la base de la physique contemporaine, celle que nous utilisons aujourd'hui pour décrire la Nature et ce qui nous entoure.

Dans cette période de temps, qui a duré un bon deux siècles, la physique a réussi à explorer scientifiquement diverses disciplines telles que la mécanique sous toutes ses formes (statique, dynamique et cinématique), l'astronomie, la théorie de la gravitation, l'optique, les phénomènes et ceux oscillatoires. , dynamique des fluides, thermodynamique, transmission de la chaleur, statistiques appliquées à la physique, phénomènes électriques et magnétiques.

Comme on peut le voir sur cette petite liste, l'élaboration de théories qui prédisent et expliquent les résultats expérimentaux a été si omniprésente qu'elle n'a rien laissé d'inexploré, avec les limites que pouvait avoir l'équipement de l'époque (il est évident qu'il était complètement hors de propos de songer à sonder les caractéristiques de l'atome et du noyau atomique, ne disposant pas des moyens matériels adéquats pour déceler les données expérimentales essentielles).

Ce qui vient d'être décrit est traité dans la première partie de ce livre qui coïncide avec le traitement de la physique classique.

La deuxième partie du livre s'inspire des grandes révolutions du début du XXe siècle, à savoir la physique quantique et la relativité restreinte.

Ils ont joué un rôle si extraordinaire dans le développement de la physique qu'il a été décidé de leur consacrer une partie entière.

La troisième partie du livre traite de la physique du microcosme, c'est-à-dire de la physique qui se développe à l'échelle moléculaire, atomique, nucléaire et particulaire fondamentale.

Nous verrons jusqu'où est allée la recherche scientifique et quels sont aujourd'hui les problèmes de ces évolutions.

La quatrième partie, en contrepartie, traite de la physique du macrocosme et a pour pierre angulaire la théorie de la relativité générale.

C'est tout ce qui touche à l'astronomie, l'astrophysique et la cosmologie.

Dans ce cas également, les résultats récents de ces théories seront tangibles.

La cinquième et dernière partie a la tâche la plus difficile par rapport aux autres.

En effet, si d'une part la théorie de la relativité a engendré les spéculations sur le macrocosme et la physique quantique celles sur le microcosme, il existe de nombreuses preuves de leur rencontre possible (et souhaitable) en une seule théorie.

La dernière partie du livre traite de cet aspect particulier.

Le livre est divisé en chapitres dont chacun peut très bien être traité indépendamment des précédents et des suivants (en effet, il existe dans la littérature de nombreux écrits se rapportant précisément à chacun des chapitres exposés).

Cependant, il y a une corrélation logique dans l'ordre des chapitres, une sorte de connaissance progressive vers ce qui était auparavant inconnu.

Le lecteur attentif s'en rendra compte et pourra suivre ce leitmotiv qui n'est autre que la reproposition de l'histoire de la physique.

Une note doit être faite sur l'exécution des exercices.

Il est vrai que dans la première partie, celle consacrée à la physique classique, sont présentés des exercices réalisés au niveau lycée (précisément parce qu'au lycée on commence à étudier ces secteurs spécifiques de la physique), mais il est également vrai que les le formalisme théorique est, presque dès le début, axé sur les mathématiques de niveau collégial qui suppose une connaissance de l'analyse mathématique avancée, de la géométrie avancée et d'autres disciplines mathématiques.

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A quoi bon étudier la physique ?

Essayons de donner une brève explication (entièrement personnelle, bien sûr).

On ne peut cacher que l'interprétation des lois physiques, poussée au maximum, ne peut conduire qu'à des questions spéculatives typiques de la philosophie, surtout lorsqu'il s'agit de l'infiniment grand (comme dans le cas de la cosmologie) ou de l'infiniment petit (comme dans le cas de la cosmologie). en physique des particules).

Les lois physiques, précisément parce qu'elles ont la particularité d'expliquer la nature, l'univers et tout ce qui nous entoure, doivent non seulement être en accord avec les données expérimentales, mais constituer un modèle théorique pour la simulation de la réalité elle-même.

Leur structure et leur interprétation influencent donc la manière de décrire la réalité, comme cela s'est déjà produit avec l'avènement du relativisme et de l'indéterminisme au début du XXe siècle.

Les lois physiques sont écrites avec un symbolisme qui est mathématique. La grande « force » des mathématiques réside dans au moins trois points distincts.

Tout d'abord, grâce à elle, il est possible de décrire la réalité en termes scientifiques, c'est-à-dire en prévoyant certains résultats avant même d'avoir l'expérience réelle.

Prédire les résultats, c'est aussi prévoir les incertitudes, les erreurs et les statistiques qui surgissent nécessairement lorsque l'idéal de la théorie est amené à la pratique la plus extrême.

Deuxièmement, les mathématiques sont un langage qui a des propriétés uniques.

C'est artificiel, comme construit par des êtres humains.

Il existe d'autres langues artificielles, comme l'alphabet Morse ; mais la grande différence des mathématiques est qu'elles sont un langage artificiel qui décrit la nature et ses propriétés physiques, chimiques et biologiques.

Cela le rend supérieur à tout autre langage possible, car nous parlons le même langage que l'Univers et ses lois.

À ce stade, chacun de nous peut apporter ses propres idéologies ou croyances, qu'elles soient laïques ou religieuses.

De nombreux penseurs ont souligné à quel point Dieu est un grand mathématicien et à quel point les mathématiques sont le langage privilégié pour communiquer avec cette entité supérieure.

La dernière propriété des mathématiques est qu'elles sont un langage universel.

En termes mathématiques, la tour de Babel ne pourrait pas exister.

Tout être humain qui a quelques rudiments de mathématiques sait très bien ce que signifient certains symboles spécifiques, tandis que des traducteurs et des dictionnaires sont nécessaires pour se comprendre avec des mots écrits ou des discours oraux.

Nous savons très bien que le langage est la base de toute connaissance.

L'être humain apprend, dans les premières années de la vie, une série d'informations de base pour le développement de l'intelligence, précisément à travers le langage.

Le cerveau humain se distingue précisément par cette particularité spécifique d'articuler une série de langages complexes et cela nous a donné tous les avantages bien connus sur toute autre espèce du règne animal.

Le langage est aussi l'un des présupposés du savoir philosophique, spéculatif et scientifique et Gadamer l'a mis en évidence, sans équivoque et définitivement.

Mais il y a une troisième propriété des mathématiques qui est beaucoup plus importante.

En plus d'être un langage artificiel et universel qui décrit la nature, les mathématiques sont proprement la résolution de problèmes , donc c'est le concret fait de la science, car l'homme a toujours visé à résoudre les problèmes qui le saisissent, il suffit de jeter un œil à ce qui a été discuté dans cet article sur le dépassement des théories physiques.

La texture de la réalité est donc marquée par des lois physiques qui sous-tendent les équations mathématiques et qui, au fil du temps, tendent à se généraliser de plus en plus au gré des nouvelles découvertes et des incohérences des anciennes théories.

Aujourd'hui, nous sommes confrontés à l'une de ces étapes fondamentales.

D'une part nous savons qu'il existe des problèmes de congruence des deux théories principales (relativité générale et théorie quantique des champs), d'autre part nous n'avons pas encore défini un nouveau canevas théorique qui dépasse ces points obscurs vers une connaissance plus large.

Comme toujours, c'est un défi constant et, en quelque sorte, éternellement inhérent à la nature humaine.

Cette caractéristique s'inscrit dans une course éternelle vers une meilleure description de ce qui nous entoure et une meilleure compréhension de tous les phénomènes existants, dans le sillage d'une dérivation du mythe d'Ulysse, qui incarne l'éternelle propension de l'homme à la connaissance.

PREMIÈRE PARTIE : PHYSIQUE CLASSIQUE

1

LA MÉTHODE SCIENTIFIQUE

Introduction

Le début de la physique moderne coïncide avec la formulation et l'application de la méthode scientifique, qui ont eu lieu de manière systématique au début du XVIIe siècle surtout par Galilée et avec les contributions décisives des philosophes Bacon et Descartes.

Cette structure logique et philosophique est devenue la base de la construction des connaissances scientifiques dans les siècles suivants et de la première approche mathématique à travers l'introduction de l'analyse par Newton et Leibnitz dans la seconde moitié du XVIIe siècle.

Avant Galilée, la connaissance avait surtout progressé par des tentatives empiriques ou des raisonnements purement métaphysiques, s'appuyant sur des constructions logiques telles que le syllogisme ou le principe d'autorité. Il n'y avait donc pas de scientifiques tels que nous les entendons aujourd'hui et la chose la plus proche de notre conception de la science a été donnée par les savants de la philosophie naturelle.

Un précurseur de la méthode scientifique fut Léonard de Vinci qui, environ un siècle avant Galilée, avait compris l'importance fondamentale de l'expérimentation réelle et de la démonstration mathématique, sans toutefois arriver à la définition d'un système et d'une méthode.

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La vision de Galileo Galilei

Galileo est parti de certaines hypothèses fondamentales, qui sont toujours valables aujourd'hui, parmi lesquelles :

1) La nature répond à des critères mathématiques

2) Pour établir les lois de la physique il faut faire des expériences

3) Les hypothèses logiques et les théories mathématiques doivent être en accord avec les expériences

Par conséquent, Galilée a abandonné la vaine recherche des essences et des qualités primaires qui avaient caractérisé la connaissance bien avant le XVIIe siècle et a établi des faits quantitatifs, mesurables et vérifiables par des expériences et exprimables par le langage des mathématiques, comme la pierre angulaire de la science.

L'un des points clés est donné par la reproductibilité des expériences : dans des conditions appropriées et des hypothèses à préparer, une certaine expérience doit pouvoir être répétée en tout lieu donnant les mêmes résultats et donc confirmant (ou infirmant) la théorie mathématique formulée pour expliquer cette expérience.

Dans les cas particuliers où il n'est pas possible de réaliser une expérience réelle, Galileo introduit le concept d'expérience de pensée.

En appliquant les mêmes critères mathématiques et quantitatifs dans la formulation des hypothèses, l'expérience de pensée a la même validité que celle effectivement réalisée. De cette façon, Galilée a compris comment la révolution copernicienne de l'héliocentrisme (le Soleil placé au centre du système solaire et non la Terre comme le prétendait médiéval à la place Scolastica se référant à l'autorité d'Aristote) était correcte et comment les lois de Kepler étaient correctes au niveau astronomique.

La méthode scientifique est donc la manière dont la science accroît la connaissance de la Nature et de l'Univers.

Les caractéristiques de ces connaissances sont d'être objectives, fiables et vérifiables.

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Méthode inductive

La méthode scientifique se compose de deux grands macro-secteurs.

D'un côté nous avons la collecte de preuves empiriques à travers des expériences qui doivent être ramenées à une logique théorique commune, de l'autre nous avons les hypothèses et les théories qui doivent être en accord avec la réalité expérimentale.

Ce dualisme reflète en quelque sorte l'ancienne division du raisonnement logique entre la méthode inductive et la méthode déductive. Alors que Galileo utilisait particulièrement le second, Bacon et Newton étaient des utilisateurs fréquents du premier.

Voyons brièvement les caractéristiques de ces deux approches différentes de la science et de la méthode scientifique et leurs implications en termes physiques et philosophiques.

La méthode inductive a été le véritable moteur de la physique moderne et n'est entrée en crise que plusieurs siècles plus tard, lorsqu'il est apparu clairement que les théories formulées étaient clairement en conflit les unes avec les autres et avec les données expérimentales.

Le XXe siècle a conduit à une grande transformation non seulement dans les théories élaborées, mais aussi dans l'approche de la science, dans l'explication philosophique et logique ainsi que dans la méthode utilisée.

La méthode inductive part de l'observation empirique et aboutit à la formalisation d'une théorie, en réalisant une série d'étapes intermédiaires.

L'observation identifie les caractéristiques du phénomène physique et les mesure avec des méthodes reproductibles tandis que l'expérience ultérieure programmée par l'observateur permet de détecter ces caractéristiques.

Après cela, il faut préparer une analyse de la corrélation entre les mesures, en manipulant les données expérimentales afin d'en extraire le plus grand contenu possible d'informations.

Cette corrélation est le premier pas vers la définition d'un modèle physique qui doit être une abstraction du fonctionnement réel donné par les résultats empiriques.

Il faut dire