Grandeurs physiques
Les grandeurs physiques sont des caractéristiques mesurables d'un objet, d'un phénomène ou d'un système. Elles s'expriment à l'aide d'une valeur numérique accompagnée d'une unité de mesure.
La physique repose sur l'observation, la mesure et la comparaison des phénomènes naturels. Pour décrire ces phénomènes de manière précise, les scientifiques utilisent des grandeurs physiques telles que la longueur, la masse, le temps, la température ou encore la vitesse.
Toute loi physique établit une relation entre différentes grandeurs physiques. C'est grâce à ces relations qu'il est possible de comprendre, de prévoir et de modéliser le comportement du monde qui nous entoure.
Exemple : Pour mesurer une longueur, on utilise un instrument gradué dont l'unité de référence est le mètre (1 m). Une distance peut alors être exprimée en mètres, en centimètres ou en kilomètres selon l'échelle considérée.
Le choix des grandeurs fondamentales résulte d'un accord international. Cette normalisation permet aux scientifiques du monde entier d'utiliser un langage commun et de comparer leurs résultats sans ambiguïté.
Aujourd'hui, le Système international d'unités (SI) constitue la référence universelle dans les domaines scientifiques, techniques et industriels.
D'autres systèmes ont également été utilisés au cours de l'histoire, notamment le système CGS (centimètre-gramme-seconde) et le système impérial britannique.
Grandeurs fondamentales et grandeurs dérivées
Les grandeurs physiques se répartissent en deux catégories : les grandeurs fondamentales et les grandeurs dérivées.
- Grandeurs fondamentales
Les grandeurs fondamentales sont les grandeurs de base à partir desquelles toutes les autres sont définies. Dans le Système international, il en existe sept :- Longueur (l)
- Masse (m)
- Temps (t)
- Intensité du courant électrique (i)
- Température thermodynamique (T)
- Quantité de matière (n)
- Intensité lumineuse (iv)
- Grandeurs dérivées
Les grandeurs dérivées sont obtenues en combinant mathématiquement une ou plusieurs grandeurs fondamentales.Exemple : Le volume, exprimé en mètres cubes (m3), est une grandeur dérivée de la longueur. La masse volumique, exprimée en kilogrammes par mètre cube (kg/m3), est également une grandeur dérivée. La force se mesure en newtons (N), avec N = kg·m/s2. La vitesse correspond au rapport entre une distance et une durée et s'exprime en mètres par seconde (m/s). De nombreuses grandeurs utilisées en physique appartiennent à cette catégorie.
Unités de mesure des grandeurs physiques
Chaque grandeur physique est associée à une unité de mesure de référence permettant d'exprimer sa valeur de manière précise et reproductible.
Sans unités communes, il serait impossible de comparer des mesures réalisées dans différents laboratoires ou dans différents pays. C'est pourquoi la communauté scientifique a adopté le Système international d'unités (SI).
Unités des grandeurs fondamentales
Chaque grandeur fondamentale possède une unité de base spécifique. Les unités des grandeurs dérivées sont construites à partir de ces unités fondamentales.
| Grandeur fondamentale | Symbole | Unité de mesure | Symbole de l'unité |
|---|---|---|---|
| Longueur | l | Mètre | m |
| Masse | m | Kilogramme | kg |
| Temps | t | Seconde | s |
| Intensité du courant électrique | i | Ampère | A |
| Température thermodynamique | T | Kelvin | K |
| Quantité de matière | n | Mole | mol |
| Intensité lumineuse | iv | Candela | cd |
Les définitions des unités ont évolué au fil du temps à mesure que les techniques de mesure devenaient plus précises.
Par exemple, depuis 1983, le mètre est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant une durée égale à 1/299 792 458 seconde.
Unités des grandeurs dérivées
L'unité d'une grandeur dérivée découle directement de la relation mathématique qui la relie aux grandeurs fondamentales.
Voici quelques exemples parmi les plus courants :
| Grandeur | Unité de mesure | Symbole | Expression |
|---|---|---|---|
| Surface | Mètre carré | m2 | |
| Volume | Mètre cube | m3 | |
| Masse volumique | Kilogramme par mètre cube | kg/m3 | |
| Force | Newton | N | N = kg·m/s2 |
| Pression | Pascal | Pa | Pa = kg/(m·s2) = N/m2 |
| Énergie, chaleur ou travail | Joule | J | J = kg·m2/s2 = N·m |
| Vitesse | Mètre par seconde | m/s | |
| Puissance | Watt | W | W = kg·m2/s3 = J/s |
| Charge électrique | Coulomb | C | C = A·s |
| Différence de potentiel électrique | Volt | V | V = kg·m2/(A·s3) = J/C |
| Fréquence | Hertz | Hz | Hz = 1/s |
Lorsqu'une grandeur est très supérieure ou très inférieure à l'unité de base, on utilise un préfixe du Système international afin d'indiquer son multiple ou son sous-multiple. Ce préfixe est toujours placé directement devant le symbole de l'unité.
Exemple : Un centimètre (cm) représente un centième de mètre. Un millimètre (mm) représente un millième de mètre. Un kilomètre (km) correspond à mille mètres (103 m).
Le même principe s'applique à l'ensemble des préfixes du Système international, ce qui permet d'exprimer facilement des valeurs extrêmement grandes ou extrêmement petites.
