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Dimensions, unités & ordres de grandeur CPGE

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COURS 01 • PHYSIQUE CPGE

Mesurer.
Vérifier. Estimer.

Avant de résoudre un problème physique, il faut maîtriser les unités, les dimensions et les ordres de grandeur. L’analyse dimensionnelle permet de détecter immédiatement de nombreuses erreurs et d’anticiper la forme d’une relation physique.

1. GRANDEUR PHYSIQUE

Un nombre seul ne suffit jamais.

Valeur numérique

Une mesure possède une valeur numérique.

v = 25

Unité

La valeur doit être accompagnée d’une unité.

v = 25 m·s⁻¹

Dimension

La dimension indique la nature physique de la grandeur.

[v] = L T⁻¹

Principe

L’unité dépend du système choisi, mais la dimension physique ne dépend pas du choix d’unités.

2. GRANDEURS FONDAMENTALES

Les briques du système international.

Longueur

Dimension : L
Unité SI : mètre (m)

Masse

Dimension : M
Unité SI : kilogramme (kg)

Temps

Dimension : T
Unité SI : seconde (s)

Intensité électrique

Dimension : I
Unité SI : ampère (A)

Température

Dimension : Θ
Unité SI : kelvin (K)

Quantité de matière

Dimension : N
Unité SI : mole (mol)
3. DIMENSIONS DÉRIVÉES

Construire une dimension à partir des grandeurs fondamentales.

Vitesse

[v] = L T⁻¹

Accélération

[a] = L T⁻²

Force

F = ma
[F] = M L T⁻²

Énergie

[E] = M L² T⁻²

Puissance

[P] = M L² T⁻³

Pression

[p] = M L⁻¹ T⁻²
MZA DIMENSION ENGINE

Le contrôle automatique d’une formule.

01IDENTIFIER
02REMPLACER
03SIMPLIFIER
04COMPARER
05ESTIMER
06VALIDER
4. HOMOGÉNÉITÉ

On ne peut additionner que des grandeurs de même dimension.

Une équation physique doit être homogène : les deux membres doivent avoir la même dimension.

x = x₀ + v₀t + ½at²

Chaque terme doit avoir la dimension d’une longueur.

[x₀]=L
[v₀t]=(LT⁻¹)T=L
[at²]=(LT⁻²)T²=L
Une équation non homogène est forcément fausse. Une équation homogène n’est pas forcément correcte.
5. EXEMPLE CLASSIQUE — PENDULE

Retrouver la forme d’une loi.

On suppose que la période T d’un pendule dépend uniquement de sa longueur ℓ et de l’accélération de la pesanteur g :

T = C ℓᵅ gᵝ

où C est une constante sans dimension.

[T] = [ℓ]ᵅ[g]ᵝ
T = Lᵅ (LT⁻²)ᵝ

L’analyse des exposants de L et T permet d’identifier α et β, sans résoudre l’équation du mouvement.

L’analyse dimensionnelle détermine la structure de la relation, mais pas la constante numérique C.
6. GRANDEURS SANS DIMENSION

Quand le résultat est un nombre pur.

Angle

Le radian est considéré comme sans dimension dans l’analyse dimensionnelle usuelle.

Indice de réfraction

n = c/v

Rapport de deux vitesses : sans dimension.

Coefficient de frottement

Souvent sans dimension.

Fonctions mathématiques

L’argument de exp, sin, cos, ln doit être sans dimension.

7. PRÉFIXES SI

Passer rapidement d’une échelle à l’autre.

Giga

G = 10⁹

Méga

M = 10⁶

Kilo

k = 10³

Milli

m = 10⁻³

Micro

µ = 10⁻⁶

Nano

n = 10⁻⁹
Attention aux surfaces et volumes : 1 cm² = 10⁻⁴ m² et 1 cm³ = 10⁻⁶ m³.
8. ORDRES DE GRANDEUR

Estimer avant de calculer précisément.

Principe

L’ordre de grandeur correspond à la puissance de dix permettant de situer une valeur.

Exemple

RTerre ≈ 6,4 × 10⁶ m

L’échelle caractéristique est de l’ordre du million de mètres.

Pourquoi ?

Un résultat de 10¹² m pour le rayon d’une voiture peut être rejeté sans refaire tout le calcul.

Réflexe concours

Toujours confronter un résultat numérique à une valeur physiquement plausible.

9. ESTIMATIONS DE FERMI

Résoudre sans disposer de toutes les données.

Exemple de mission

Estimer le nombre de battements cardiaques d’une personne pendant une année.

On peut prendre un ordre de grandeur raisonnable pour la fréquence cardiaque, puis estimer le nombre de minutes dans une année.

Nombre ≈ fréquence × durée

L’objectif n’est pas une précision parfaite, mais un résultat cohérent à l’échelle correcte.

10. INCERTITUDE & CHIFFRES SIGNIFICATIFS

Ne pas afficher une précision qui n’existe pas.

Mesure

L = 12,4 ± 0,1 cm

La mesure n’est pas connue avec une précision infinie.

Chiffres significatifs

Le résultat final doit rester cohérent avec la précision des données.

Mauvais résultat

v = 13,847263 m·s⁻¹

si les données n’ont que deux ou trois chiffres significatifs.

Réflexe

Calculer avec suffisamment de précision, puis arrondir seulement le résultat final.

11. EXERCICES PROGRESSIFS

Contrôler avant de résoudre.

NIVEAU 1

Exercice 1 — Dimension d’une énergie

À partir de l’expression :

Ec = ½mv²

retrouver la dimension de l’énergie cinétique.

Remplacez [m] par M et [v] par LT⁻¹.
NIVEAU 2

Exercice 2 — Homogénéité

Tester l’homogénéité de :

v = v₀ + at²
Comparez la dimension de v avec celle de at².
NIVEAU 3

Exercice 3 — Constante gravitationnelle

La loi de Newton s’écrit :

F = G m₁m₂ / r²

Déterminer la dimension de G.

Isolez G puis remplacez les dimensions de F, r et m.
NIVEAU PRÉPA

Exercice 4 — Temps caractéristique

On cherche un temps caractéristique τ construit à partir d’une masse m et d’un coefficient de frottement k sachant que :

F = -kv

Retrouver la dépendance de τ en m et k.

Commencez par déterminer la dimension de k à partir de F=kv.
12. PROBLEM LAB

Mission : retrouver une loi par analyse dimensionnelle.

Chute d’une goutte

On suppose qu’une vitesse caractéristique v dépend :

  • d’une longueur R ;
  • d’une masse volumique ρ ;
  • d’une accélération g.

On cherche une relation :

v = C Rᵅ ρᵝ gᵞ

Votre mission :

  1. écrire les dimensions de v, R, ρ et g ;
  2. construire l’équation dimensionnelle ;
  3. identifier les équations sur α, β et γ ;
  4. vérifier si les données suffisent pour déterminer tous les exposants ;
  5. expliquer ce que révèle une éventuelle indétermination ;
  6. identifier quel autre paramètre physique pourrait manquer au modèle.
La masse volumique a pour dimension M L⁻³.
Une analyse dimensionnelle peut révéler qu’un modèle est incomplet : si les exposants ne peuvent pas être déterminés de façon unique, cherchez une grandeur physique supplémentaire.
MZA PHYSICAL CHECK

Avant de valider un résultat.

AUNITÉ SI
BDIMENSION
CHOMOGÉNÉITÉ
DSIGNE
EORDRE DE GRANDEUR
FSENS PHYSIQUE
13. QCM DE VALIDATION

Diagnostic Dimensions & Unités.

Le score est affiché sans révéler les réponses correctes.

1. La dimension d’une vitesse est :
2. La dimension d’une force est :
3. Une équation physique non homogène est :
4. La dimension d’une énergie est :
5. Dans exp(x), l’argument x doit être :
6. Un ordre de grandeur sert principalement à :
[F] = MLT⁻²

Une formule doit d’abord survivre au contrôle physique.

Dimensions, unités, homogénéité et ordres de grandeur constituent le premier filtre de tout raisonnement physique sérieux. Ce réflexe fera gagner du temps dans pratiquement tous les chapitres suivants.

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