CÉGEP DE SHERBROOKE
DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE
SESSION AUTOMNE 2017
PLAN DE COURS
Mouvement et chaleur (203-395-SH)
(3-2-3)
Unités: 2.66
Panneau solaire thermique à air pulsé
Programme : Technologie de l'électronique industrielle (243.C0)
Préalable relatif : Éléments de mathématique du génie électrique (201-195-SH)
Corequis à : Compléments de mathématiques pour l’électronique (201-294-SH)
Professeur :
Martin Aubé, bureau 2-57-170, labo de recherche au 2-51-205
Courriel : martin.aube@cegepsherbrooke.qc.ca
Téléphone : 819-563-6450 poste 4146
www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/
Note préliminaire
Le cours « mouvement et chaleur » est le seul cours de physique du programme Technologie de l’électronique industrielle, mais les phénomènes physiques sont omniprésents dans ce domaine. Il est certain que les phénomènes et concepts physiques étudiés dans le cadre du cours seront utiles à l'étudiant tant dans la poursuite de ses études que sur le marché du travail.
Les concepts abordés au cours de la session ne sont pas étrangers aux étudiants du génie électrique; le but d'une étude formelle de la physique à ce moment-ci du programme est, en partie, de corriger les mauvaises interprétations qui peuvent influer sur la prise de décision lors de la résolution de problèmes techniques.
Le contenu détaillé du cours est inclus dans ce plan d'études, on y trouve une liste de sujets variés: mécanique, énergie, chaleur et température et transferts de chaleur. Chacun des sujets est touché à la base et transposé, autant que possible, dans des situations réalistes qui peuvent être rencontrées dans le domaine du génie électrique.
Texte ministériel
| Éléments de compétences | Critères de performances | Contenu–activités d’apprentissage |
| 0438 - Analyser le fonctionnement d’un procédé. | ||
| 1 Élaborer le schéma opérationnel d’un procédé. (15 heures) | 1.1 Interprétation juste du schéma fonctionnel. 1.2 Interprétation juste des données de fonctionnement. 1.3 Relevé des appareils de la chaîne de mesure et des éléments finals de contrôle. 1.4 Analyse juste de la circulation des fluides et des déplacements d’objets ou de substances. 1.6 Clarté du schéma. | Cinématique Translation 1D position; vitesse; accélération; Rotation position angulaire; vitesse angulaire; accélération angulaire; Analyse du mouvement par les méthodes graphiques Vérins et vis sans fin Transmission du mouvement rotation <-> rotation; rotation <-> translation; |
| 2 Caractériser le fonctionnement des mécanismes dans un procédé. (45 heures) | 2.2 Analyse juste des forces et des mouvements en présence. 2.3 Détermination correcte des grandeurs physiques. 2.4 Description claire de l’action des mécanismes. | Dynamique (lois de Newton et diagramme des forces) Translation 1D poids; normale; frottement; Rotation moment de force; moment d’inertie; accélération angulaire; Pression pression relative/absolue piston et cylindre Travail et énergie mécanique énergie cinétique; énergie potentielle; puissance; rendement; avantage mécanique; |
| 3 Indiquer les transformations physiques et chimiques présentes dans un procédé. (15 heures) | 3.1 Interprétation juste des propriétés physiques et chimiques des substances. 3.4 Description claire des effets des substances sur les appareils du procédé. 3.5 Détermination correcte des grandeurs physiques. 3.6 Détermination correcte des états de la matière. | Chaleur Chaleur massique capacité thermique; Transition de phase chaleur latente de fusion; chaleur latente de vaporisation; Échanges de chaleur conduction convection rayonnement circuits thermiques résistance thermique capacité thermique; Température échelles de température dilatation thermique résistance électrique pression des gaz |
Approche pédagogique
La matière sera présentée principalement sous forme d'exposés magistraux qui seront fréquemment entrecoupés de situations problèmes ou de petites démonstrations intrigantes.
Durant les situations-problèmes, vous serez amenés à intégrer un certain nombre de concepts pour arriver à une solution. Ces situations-problèmes seront, dans la mesure du possible, inspirées de phénomènes que vous pouvez observer dans la vie de tous les jours ou que vous pourrez reproduire et étudier en laboratoire avec des moyens modestes. Elles feront appel à un éventail de compétences expérimentales (mesures sur le terrain), théoriques, et méthodologiques (p.ex. recherche d'information valable sur le www). Un cours magistral fera généralement tandem à des situations problèmes afin d'élargir l'horizon des connaissances acquises. Par cette démarche d'intégration de concepts vous serez graduellement conduits à développer une certaine acuité à remarquer et analyser des phénomènes souvent très familiers auxquels vous n'aurez peut-être jamais porté d'attention particulière auparavant. Je souhaite que vous puissiez développer votre sens de l'observation, développer votre capacité à transférer vos apprentissages, développer votre créativité et votre esprit d'initiative tout en intégrant une approche d'analyse rigoureuse propre à la méthode scientifique.
Les exposés magistraux seront aussi l'occasion de faire des exemples de résolution de problèmes, il vous sera recommandé de prendre des notes. Le volume de référence permettra de donner une version différente et souvent complémentaire à celle proposée par le professeur afin de favoriser une meilleure intégration des concepts pour tous (la lecture du volume sera nécessaire).
Pour chaque thème abordé en classe, vous connaîtrez les sections pertinentes du volume. Un guide d'étude comprenant la liste des exercices suggérés est accessible sur le site web du cours. Ces exercices visent l'intégration des concepts théoriques un à un. Des exercices intégrateurs sont aussi proposés sur le site web. Ces derniers font intervenir plus d'un concept à la fois, ils vous permettront de vous préparer aux examens. Par son étude, l'étudiant doit s'assurer de dégager et intégrer ces concepts pour pouvoir les identifier par lui-même dans des situations différentes. Les problèmes d'examen seront tirés de situations de la vie de tous les jours dans la mesure du possible.
Des petites démonstrations expérimentales seront régulièrement insérées durant les heures de classe afin de favoriser la compréhension et afin d'augmenter l'intérêt face à aux concepts étudiés.
Un certain nombre de documents relatifs au cours seront disponibles via le World Wide Web sur un wiki dédié à mes cours et accessible à partir du site du département (via ma page personnelle).
http://www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema
Les documents pourront donc être consultés en ligne (dans le respect de l'environnement) ou imprimés à l'aide d'un navigateur WEB.
Contenu détaillé:
1. Introduction
- Qu'est-ce que la physique?
- La méthode scientifique
- Précision et erreur et incertitude
- La notation en puissances de dix et les chiffres significatifs
- Fabrication et utilisation d’un graphique
- Ordre de grandeur et unités
- Résolution d’un problème
- Les référentiels et les systèmes de coordonnées
2. Rappel mathématique
- Vecteurs et scalaires
- Composantes et vecteurs unitaires
- Somme de vecteurs
- Produit de vecteurs
- La dérivée en physique
- L’intégrale en physique
3. Équilibre
- Notion de force
- Principe de relativité
- Centre de masse
- Diagramme de force
- Équilibre de translation
- Équilibre de rotation
- Analyse de structure
4. Dynamique et cinématique de translation
- Les variables du mouvement
- La deuxième loi de Newton
- La troisième loi de Newton
- Les équations du mouvement
6. Les principes de conservation
- La notion d’énergie
- Le travail et les forces non conservatives
- L'énergie cinétique
- L'énergie potentielle
- La conservation de l’énergie
- La conservation de l'énergie dans les fluides: Bernouilli
- Les Systèmes de poulies et leviers
- La puissance
- Notions de thermique
7. Mouvement de rotation
- Les variables du mouvement rotatif
- Le moment d’inertie
- Équivalence avec les lois de translation
- Le moment cinétique
- Les principes de conservation et la rotation
Laboratoires
Les équipes de laboratoire seront constituées de quatre étudiants. Pour réaliser les projets vous devrez déterminer par vous-même la démarche expérimentale optimale à utiliser de façon à répondre le mieux possible à la situation-problème. Cela implique la mise au point du protocole expérimental, la fabrication du montage expérimental et le choix de la méthodologie. Vous pourrez utiliser les matériaux disponibles au laboratoire de physique mais si vous jugez nécessaire de compléter avec d'autres matériaux vous pourrez vous les procurer vous-mêmes. La récupération de matériaux usagés devrait être valorisée.
Les heures de laboratoire seront consacrées à la réalisation de deux projets. Vous devez vous attendre à commettre des erreurs qui vous forceront à revoir et améliorer votre démarche.
En laboratoire, les expériences visent le développement de compétences touchant les étapes de la démarche scientifique, les méthodes d’analyse des résultats expérimentaux et la rédaction de rapports techniques. L'évaluation de la partie expérimentale de ce cours mettra l’emphase sur la rédaction de courts rapports de 5 pages maximum présentant l'objectif de votre projet, un schéma de votre dispositif, les concepts physiques utilisés pour les atteindre les objectifs incluant un résumé des améliorations apportées en cours de projet et la présentation du résultat obtenu. Vous devrez aussi fournir une courte conclusion indiquant vos suggestions d'amélioration futures à votre projet. Une partie de l'évaluation sera aussi attribuée à la performance que vous aurez obtenue.
Liste des projets
- Mesure de la masse d'une automobile (3 semaines)
- Conception et fabrication d'un panneau solaire thermique (9 semaines)
Détails: http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php/APPWiki/A17Cours02Projets
Évaluation
Évaluation formative
Les situations-problèmes seront possiblement l’occasion pour l’enseignant d’effectuer des observations et de transmettre, de façon orale ou par écrit, des commentaires à l’étudiant. Ces observations et commentaires porteront autant sur l’utilisation adéquate et la compréhension des concepts et connaissances que sur les méthodes de travail, les stratégies employées, les attitudes et les comportements. Cette rétroaction de la part de l’enseignant permettra aux étudiants d’ajuster leurs attitudes, leurs stratégies et leur compréhension en cours de route.
Évaluation sommative
L'évaluation sommative se fera sur la base de quatre habiletés fondamentales au cours. Chaque activité d'évaluation impliquera l'évaluation d'une ou plusieurs des quatre habiletés selon une pondération propre à chaque activité. Voici la liste des habiletés ainsi que les attentes du professeur face à leur maitrise par l'étudiant. Le système de notation de l'habileté est aussi indiqué dans un second tableau.
Tableau des habiletés et attentes face à l'étudiant
| Habiletés | Attentes |
| 1. Reconnaître et adapter les concepts, lois et principes appropriés à la situation. | - L’étudiant reconnaît un ensemble complet de concepts permettant de traiter la situation. - L’étudiant adapte ces concepts à la situation de façon pertinente et cohérente. - L’étudiant fait référence de façon explicite aux concepts. |
| 2. Modéliser et traiter, théoriquement ou expérimentalement, de façon adéquate, juste et rigoureuse. | - L’étudiant modélise de façon pertinente la situation avec une modélisation suffisamment raffinée pour répondre aux besoins de la situation. - L’étudiant choisit des méthodes et des outils pertinents pour traiter la situation et justifie les choix effectués. - L’étudiant fait part de sa modélisation et de son traitement dans une démarche explicite, rigoureuse, structurée et cohérente. - La démarche présentée par l’étudiant est juste et exacte. - L’étudiant démontre un bon niveau d’appropriation de l’ensemble de la démarche. |
| 3. Juger et critiquer les méthodes, la démarche et les conclusions et reconnaître leurs limites. | - L’étudiant interprète les résultats de manière adéquate et intègre. - L’étudiant est en mesure de faire une critique de la démarche et des résultats et montre un certain niveau de conscience de l’implication des limites ou des choix sur le dénouement. - L’étudiant a recours de manière adéquate aux résultats et graphiques comme élément de preuve. - L’étudiant est en mesure d’avoir une certaine prospective sur des éventualités futures concernant le problème. |
| 4. Communiquer de manière efficace, juste et appropriée. | - L’étudiant fait preuve de concision, de clarté et de fluidité. - L’étudiant emploie une terminologie appropriée. - L’étudiant a recours à une langue écrite ou parlée de bonne qualité. - L’étudiant est en mesure de communiquer un travail à l’aide d’une présentation de qualité et qui respecte les normes établies. |
Système de notation
| Niveau | Description | Note |
| Optimal | Ne nécessite pratiquement aucune amélioration | 5 |
| Opérationnel | Nécessite une légère amélioration | 4 |
| Suffisant | Nécessite une grande amélioration | 3 |
| Insuffisant | Nécessite une trop grande amélioration pour être suffisant | 0 - 2 |
Pondération des activités d'évaluation en fonction des habiletés:
| Évaluation | Pourcentage de la note de session | Fraction habileté 1 | Fraction habileté 2 | Fraction habileté 3 | Fraction habileté 4 |
| Examen 1 (5e semaine) | 15% | 0.4 | 0.5 | 0 | 0.1 |
| Examen 2 (10e semaine) | 25% | 0.4 | 0.5 | 0 | 0.1 |
| Rapport technique du projet 1: masse d'une automobile | 10% | 0.15 | 0.4 | 0.2 | 0.25 |
| Rapport technique du projet 2 | 15% | 0.15 | 0.4 | 0.2 | 0.25 |
| Performance du projet 2 | 5% | ||||
| Évaluation finale: Examen 3 (15e semaine) | 30% | 0.4 | 0.5 | 0 | 0.1 |
- En cas de difficulté de travail au sein de l'équipe de laboratoire, vous aurez à compléter une fiche de coévaluation. Chacun des membre de l'équipe aura à établir le niveau de travail (sur une échelle de 0 à 10) que ses coéquipiers et lui même ont respectivement investis dans le projet. Ces fiches devront être remises par écrit au professeur simultanément à la remise du rapport. L'évaluation des rapports s'appui sur la grille d'évaluation ci-dessus sur la base des quatre habiletés.
Les examens feront appel à votre compréhension des phénomènes physiques concernés. Ils seront composés de problèmes originaux (différents de ceux fait en exercices) et appliqués à la vie de tous les jours. Généralement, ils seront relativement faciles d'un point de vue mathématique. Toutefois, ceux et celles qui n'auront pas fait suffisamment d'exercices et d'étude auront peut-être de la difficulté à identifier le phénomène physique impliqué dans le problème. Vous aurez droit à une feuille recto manuscrite aide mémoire. La correction portera principalement sur la démarche plutôt que sur la réponse.
Disponibilité:
Vous pourrez me rencontrer sur rendez-vous à mon bureau situé au département de physique ou encore à mon laboratoire de recherche au 2-51-205. Je serai aussi TRÈS facile à rejoindre par courriel à l'adresse figurant sur la page couverture.
Politiques départementales:
- La présence aux laboratoires et aux examens est obligatoire. Toute absence non motivée entraîne automatiquement la note zéro. Une absence devra être justifiée par une raison sérieuse dans les plus brefs délais, avec preuve à l’appui.
- En cas de retard dans la remise d’un travail, une pénalité de 10% par jour de retard sera appliquée, à moins d’entente contraire préalable.
- Lors de la remise des travaux et des examens, le professeur présentera la solution en classe ou expliquera la grille de correction. Les étudiants qui le souhaitent auront immédiatement l’occasion de faire vérifier la correction par leur professeur. Cependant, en cas de désaccord, ils disposeront par la suite d’un délai maximal de cinq jours de classe pour faire une revendication auprès de la coordination départementale afin qu’elle forme un comité officiel de révision de note dans des délais raisonnables.
Médiagraphie:
Documentation de base:
- Le wiki du cours: http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php/APPWiki/A17Cours02
- Manuel du cours: http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php/Publication/PrefaceMecanique
Calendrier indicatif:
| Sem. | Théorie | Laboratoire | À remettre | Situations problèmes |
| 1 23, 21 août | Introduction | Introduction/ math | -Temps de réaction (réflexe) -Tension énorme = petits angles | |
| 2 30, 28 août | Équilibre | Formation des équipes début discussions autour des projets | liste des équipes et responsabilités | -étudiants ne peut se lever -Pile de tuiles -Ustensiles en équilibre -erlenmeyeur instable -Voûte gothique -sceinture -Anneau cm hors axe (eq. stable/inst.) -duremolle -balle ping-pong séchoir |
| 3 6, 18 sept. | Équilibre | Projet 1 | -Pieu anti-vampire -Pile de 25 cents -Nappe magique | |
| 13, 11 sept. | Cours suspendu | Cours suspendu | ||
| 4 20, 25 sept. | Équilibre | Projet 1 | ||
| 5 27, 2 oct. | Dynamique et cinématique | Examen 1 sur le chapitre Équilibre | Copie de l'examen 1 | -Masse avec double corde -Accéléromètre -Oeuf projectile |
| 6 4, 10 oct. | Dynamique et cinématique | Projet 2 | rapport technique 1 | -Pièces monnaie sur règle 1m -L'eau ne coule plus -pendule simple et masse ressort -pendule chaotique |
| 7 11, 16 oct. | Dynamique et cinématique | Projet 2 | -Vitesse et hauteur d'un avion de ligne -Hauteur du 7e etage par rapport au premier -Angle de portée maximale -Accélération maximale de l'ascenseur -Pendule chaotique | |
| 8 18, 30 oct. | Principes de conservation | Projet 2 | -Fusée à eau -Super-balles -Pile de 25 cents | |
| 9 1, 6 nov. | Principes de conservation | Projet 2 | ||
| 10 8, 13 nov. | Principes de conservation | Examen 2 | Copie de l'examen 2 | |
| 11 15, 20 nov. | Principes de conservation | Projet 2 | -Descente 2 rampes -Balle qui remonte une pente -Bouteille deux trous -balle monte intérieur d'un cylindre | |
| 12 22, 27 nov. | Thermique | Projet 2 | -canette qui revient -pendule wilberforce -pendule galilée -pendules sympathiques | |
| 13 29, 4 déc. | Mouvement de rotation | Projet 2 | -Avion à air | |
| 14 6, 11 déc. | Mouvement de rotation révision | Examen 3 récapitulatif | Copie de l'examen 3 | -Verres de styromousse -Scintre en rotation -toupie -Course rotative -Canette gelée/liquide -Oeufs cuit cru -Banc rotatif -Roue d'inertie -Rotation instable I_moyen_ |
| 15 20, 18 déc. | Projet 2 (compétition) |