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Fiche explicative de la leçon : Définitions des unités SI Physique

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à reconnaître les unités du système d'unités SI et les grandeurs physiques que ce système permet de mesurer.

Le système d'unités SI est le système international d'unités. SI est l’abréviation de « système international ». Le SI a été créé en 1960 et est devenu le système standard d’unités pour les scientifiques dans la plupart des pays du monde.

Les unités du système SI sont chacune associée à une grandeur. Les grandeurs les plus connues sont probablement celles qui figurent dans la liste suivante:

  • longueur,
  • temps.

Ce sont deux des grandeurs du système SI appelées grandeurs de base.

Une grandeur de base est une grandeur qui ne peut être divisée en parties plus fondamentales. Une grandeur qui peut être séparée en des parties plus fondamentales est appelée grandeur composée ou dérivée.

Un exemple de grandeur dérivée est la grandeur exprimée en longueurtemps.

Cette grandeur porte le nom de « vitesse ». On voit qu'elle est composée du rapport de deux grandeurs de base.

La longueur et le temps ne se composent que d’eux-mêmes. D’ailleurs, si longueurtempsvitesse=, on a évidemment que longueurvitessetemps=×.

Cela pourrait donner l'impression que la grandeur de base « longueur » peut être obtenue à partir d'autres grandeurs, ce qui est faux, car une de ces grandeurs est elle-même obtenue à partir de grandeurs de base. L’expression longueurvitessetemps=×, écrite en entier est longueurlongueurtempstempslongueur=×=.

Une grandeur de base ne sera égale à elle-même que lorsque les grandeurs dérivées auxquelles elle se rapporte sont eux-mêmes exprimées en termes de grandeurs de base.

Les grandeurs de base sont également appelées grandeurs fondamentales.

Prenons un exemple qui compare les grandeurs fondamentales.

Exemple 1: Distinction entre les grandeurs fondamentales et les grandeurs dérivées

Laquelle des affirmations suivantes décrit le mieux la différence entre les grandeurs physiques fondamentales et dérivées?

  1. Les grandeurs dérivées peuvent être définies en fonction des grandeurs fondamentales.
  2. Les grandeurs fondamentales peuvent être définies en fonction des grandeurs dérivées.
  3. Les grandeurs dérivées peuvent avoir plus d’une unité, mais les grandeurs fondamentales ne peuvent avoir qu’une seule unité.
  4. Les grandeurs fondamentales peuvent avoir plus d’une unité, mais les grandeurs dérivées ne peuvent avoir qu’une seule unité.
  5. Les grandeurs fondamentales ont été proposées avant les grandeurs dérivées.

Réponse

Le temps peut être mesuré en secondes, minutes, heures, jours, et ans. Le temps est une grandeur fondamentale. Alors c’est ne pas vrai que les grandeurs fondamentales ne peuvent avoir qu’une seule unité.

La vitesse peut être mesurée en kilomètres par heure et dans milles par heure. La vitesse est une grandeur dérivée. Il n’est pas vrai non plus que les grandeurs dérivées ne peuvent avoir qu’une seule unité.

Certaines grandeurs fondamentales ont été proposées il y a très longtemps. L'idée que la longueur et le temps soient mesurables est si ancienne qu'on ne sait pas quand elle est apparue. Cela signifie qu’il n’y a aucun moyen de savoir avec certitude si l’idée de mesurer le temps ou la longueur est aussi ancienne que, ou plus ancienne que celle de mesurer la vitesse.

Les grandeurs fondamentales et dérivées peuvent être exprimées les unes par rapport aux autres.

Une grandeur dérivée exprimée en termes de grandeurs fondamentales est vitesselongueurtemps=.

Une grandeur fondamentale exprimée en fonction d’une grandeur dérivée et d’une grandeur fondamentale est tempslongueurvitesse=.

Cependant, la vitesse est elle-même obtenue à partir de la longueur et du temps, donc pour exprimer le temps en termes de vitesse on écrit:tempslongueur=.longueurtemps

Cela équivaut à tempslongueurtempslongueur=×, qui est le même que tempstempslongueurlongueurtemps=×=.

Nous voyons alors qu’il est plus logique de dire que les unités dérivées peuvent être définies en termes de grandeurs fondamentales. On les appelle aussi grandeurs de base. Cela correspond à l’option A.

L’unité de base du SI de la longueur est le mètre.

L’unité de base du SI du temps est la seconde.

La longueur qui est égale à un mètre est défini par une mesure d’un phénomène physique naturel.

Le temps qui est égal à un seconde est aussi défini par une mesure d’un phénomène physique naturel.

Ces deux phénomènes sont liés à la lumière émise par les atomes. Cette lumière est constituée d’ondes qui ont une longueur particulière et qui sont générées à un certain moment.

Une autre grandeur de base du SI a une unité qui n'est pas définie par la mesure d'un phénomène physique naturel mais plutôt par un objet produit artificiellement. Aucune autre grandeur SI de base n'est définie de cette façon. La grandeur qui a cette méthode unique de définition est la masse.

Dans le but d’augmenter la précision, il faut mentionner que la définition de l'unité de base de la masse dans le système SI a maintenant été modifiée afin de ne pas dépendre d'un objet spécifique. Pourtant cette modification est si récente et complexe à définir, que nous adopterons l'ancienne définition qui est basée sur un objet spécifique.

L’unité de base du SI de la masse est le kilogramme. Ce qui est peut-être surprenant, c'est que le kilogramme plutôt que le gramme est l’unité de base de la masse. Cela est différent pour la longueur et le temps. L'unité du SI de base de la longueur n'est pas le kilomètre et l'unité SI de base du temps n'est pas le kiloseconde.

Le kilogramme a été initialement défini comme la masse d’un litre d’eau. Mais en 1889, un objet très spécifique a été fabriqué. Cet objet était un cylindre en alliage de platine et d’iridium. Après la fabrication de cet objet, le kilogramme a été défini comme étant égal à la masse de cet objet. Cet objet est appelé le prototype du kilogramme.

Le prototype du kilogramme existe uniquement pour définir la masse qui est égale à 1 kilogramme. La forme du prototype de kilogramme et la substance dont il est constitué ne sont pas des caractéristiques essentielles du prototype de kilogramme. On aurait pu choisir des formes et des substances différentes. La seule propriété du prototype de kilogramme qui compte est sa masse.

Prenons un exemple de définition d'une unité de base du SI.

Exemple 2: Définition d'une unité de base du SI

Laquelle des unités du SI suivantes est définie comme étant égale à 1 650 763,73 longueurs d'onde de la lumière rouge-orange émise dans le vide par les atomes de krypton-86?

  1. le mètre
  2. la seconde
  3. la mole
  4. le candela
  5. le stéradian

Réponse

Pour déterminer l'unité du SI définie dans la question, il est utile de déterminer à quelle grandeur du SI la définition se rapporte.

La plupart des informations données dans la définition n’ont aucun rapport direct avec la détermination de la grandeur à mesurer. La valeur 1‎ ‎659‎ ‎763,73 peut être la valeur d’une grandeur quelconque. L'élément auquel la définition se réfère pour un atome n'identifie aucune grandeur de façon unique.

La définition mentionne la lumière émise par un atome. À partir de là, on pourrait penser que la grandeur en question a un rapport avec la lumière et que cela signifie peut-être que l'unité définie est la candela, dont le nom suggère un lien avec la lumière.

En lisant la définition avec attention, nous remarquons toutefois que le nom d’une grandeur est mentionné dans la définition comme suit:« 1‎ ‎650‎ ‎763,73 longueurs d’onde de la lumière rouge-orange émise sous vide par des atomes de krypton-86. »

Ceci est une définition d’une longueur qui est égale à l’unité de base SI de longueur, qui est le mètre. Cela correspond à l’option A.

Prenons un autre exemple de définition d'une unité de base du SI.

Exemple 3: Définition d'une unité de base du SI

Laquelle des unités du SI suivantes est définie comme étant égale à l’intervalle dans lequel les atomes de césium 133 émettent des ondes 9‎ ‎192‎ ‎631‎ ‎700?

  1. la seconde
  2. le mètre
  3. la mole
  4. le candela
  5. le stéradian

Réponse

Pour déterminer l'unité du SI définie dans la question, il est utile de déterminer à quelle grandeur du SI la définition se rapporte.

La plupart des informations données dans la définition n’ont aucun rapport direct avec la détermination de la grandeur à mesurer. La valeur 9‎ ‎192‎ ‎631‎ ‎700 peut être la valeur de n'importe quelle grandeur. L’élément dont la définition se réfère à un atome n’identifie de manière unique aucune grandeur.

La définition mentionne les ondes émises par un atome. À partir de là, on peut penser que la grandeur impliquée est liée à la longueur d’onde et que cela signifie peut-être que la grandeur impliquée est la longueur.

Mais en lisant attentivement la définition, on remarque qu'elle mentionne un intervalle comme suit:« l’intervalle dans lequel les atomes de césium 133 émettent des ondes 9‎ ‎192‎ ‎631‎ ‎700 ».

En d’autres termes, il s’agit d’un intervalle dans lequel des atomes de césium 133 émettent une onde 9‎ ‎192‎ ‎631‎ ‎700 fois.

Cette manière d’exprimer l’affirmation précise qu’elle se réfère à un intervalle de temps et donc à la grandeur de temps. L’unité de base SI du temps est la seconde. Cela correspond à l’option A.

Prenons un autre exemple de définition d'une unité de base du SI.

Exemple 4: Définition d'une unité de base du SI

Laquelle des unités du SI suivantes est définie par référence aux propriétés d'un objet unique et standard détenu au Bureau International des Poids et Mesures?

  1. le kilogramme
  2. le mètre
  3. la mole
  4. le candela
  5. le stéradian

Réponse

Une seule unité de base SI est définie par un objet spécifique. La masse standard du kilogramme est un objet qui a une masse qui définit la masse égale à un kilogramme.

On pourrait supposer qu'il existe aussi un objet spécifique dont la longueur définit un mètre mais en fait le mètre est défini en termes de phénomène naturel.

La bonne option est A.

Nous avons vu jusqu’à présent trois grandeurs de base du SI et leurs unités.

GrandeurUnité de base SISymbole d’unité
LongueurMètrem
TempsSecondes
MasseKilogrammekg

Il y a une autre grandeur de base du SI qui est appelée « quantité de matière ». Mais ce nom ne rend pas tout à fait clair ce qu'on entend par « quantité ». Le manque de clarté dans ce sens peut entraîner une confusion entre cette quantité et la grandeur de masse.

Une expression plus précise et détaillée de la signification de la grandeur appelée « quantité de matière » peut être donnée. Le terme « quantité de matière » est le nombre de parties équivalentes dont est constitué un objet fait d'une substance.

Les parties équivalentes les plus couramment utilisées qui sont comptées en moles sont les atomes ou des molécules. Les différents atomes d'un même élément sont, dans la plupart des cas, considérés comme complètement équivalents les uns aux autres.

Dans le système SI, l’unité de base de la « mole » fait référence à un nombre spécifique de parties équivalentes. Ce nombre est 6,02214076×10. Un mole d’une substance désigne un objet contenant ce nombre de parties équivalentes.

On peut comparer le nombre de moles de différentes quantités de différents types de parties équivalentes déterminées dans différents objets comme suit..

  • Comme nous l'avons dit, les atomes et les molécules sont des parties qui sont généralement comptées en moles, car les atomes d'un même élément sont équivalents dans la plupart des cas. Par exemple, 4 grammes d’hélium contient 6,02214076×10 d’hélium atomes. Le nombre atomes d’hélium dans 4 grammes d’hélium est égal au nombre de parties équivalentes dans une mole. Il y a donc 1 mole d’atomes dans 4 grammes d’hélium.
  • On peut utiliser les moles pour compter le nombre d’autres types d’objets qui sont semblables les uns aux autres, mais pas aussi proches que les atomes. Par exemple, on pourrait compter le nombre de moles de balles de tennis dans un récipient de balles de tennis incroyablement énorme. Si ce récipient contenait 6,02214076×10 de balles de tennis, le nombre de moles de balles de tennis dans le récipient serait le nombre de balles de tennis divisé par le nombre de parties équivalentes dans une mole. Cela donnerait:6,02214076×106,02214076×10=10.moles
  • Supposons maintenant que nous considérons des objets qui peuvent différer les uns des autres considérablement plus que ne le font les balles de tennis. Les étoiles peuvent être très différentes les unes des autres de plusieurs façons (telles que leur taille, leur température et leur luminosité). La galaxie de la voie lactée contient environ 2,5×10 étoiles. Celle-ci est convertie en un nombre de moles d’étoiles en divisant le nombre d’étoiles par le nombre de parties équivalentes dans une mole. Cela donnerait 2,5×106,02214076×10=4,1513477×10.moles
  • Supposons que l'on compte plutôt le nombre de moles d'humains dans la population humaine de la Terre. Environ 7,8×10 humains vivent sur la Terre. Ceci est converti en un certain nombre de moles des humains en divisant le nombre d’étoiles par le nombre de parties équivalentes dans une mole. Cela donnerait 7,8×106,02214076×10=1,2952205×10.moles

Il est évident que les gens ne sont pas tous pareils, même si, en termes de grandeurs physiques, les humains sont généralement plus semblables les uns aux autres que les étoiles.

Normalement, nous n'utiliserions jamais de moles pour compter des choses comme les balles de tennis. Les exemples ci-dessus montrent que théoriquement nous pourrions le faire, mais que dans la pratique cela ne se fait pas.

En résumé, la mole est l’unité de mesure de la quantité de matière. Une mole est définie comme étant exactement 6,02214076×10 particules, qui peuvent être des atomes, des molécules, des ions ou des électrons. En résumé, une 1 mole équivaut à 6,02214076×10 parties.

L'utilisation des moles pour compter différentes parties équivalentes d’objets est résumée dans le tableau suivant.

ObjetParties équivalentes de l’objetNombre de parties équivalentesNombre de moles
4 grammes d’héliumAtomes6,02214076×106,02214076×106,02214076×10=1
Un conteneur de balles de tennis de très grande tailleBalles de tennis6,02214076×106,02214076×106,02214076×10=10
La galaxie de la voie lactéeÉtoiles2,5×102,5×106,02214076×10=4,1513477×10
La population humaine de la TerreLes humains7,8×107,8×106,02214076×10=1,2952205×10

Il est important de se rappeler que seuls les atomes et les molécules sont généralement pris en compte dans les moles.

En se basant sur ce que nous avons vu, une mole est donc définie comme indiqué dans le tableau suivant.

GrandeurUnité de base SISymbole d’unité
Quantité de matièreMolemol

Prenons maintenant un exemple concernant la mole.

Exemple 5: Définition de la mole

Laquelle des grandeurs physiques suivantes possède l’unité SI mole?

  1. la quantité de matière
  2. la masse
  3. le volume
  4. la masse volumique
  5. l'énergie

Réponse

La mole définit un nombre de parties équivalentes.

Cela peut être supposé faire référence à la masse d'un objet, mais en fait les parties d'un objet peuvent elles-mêmes avoir une masse.

Les parties d’un objet peuvent aussi avoir un volume.

La masse volumique est le rapport entre la masse et le volume, donc cela ne peut pas non plus être la grandeur dont la mole est l’unité de base.

L’énergie de quelque chose n’est pas une mesure du nombre de parties équivalentes de cette chose. Changer l’énergie de quelque chose ne signifie pas changer le nombre de parties équivalentes qui la composent.

La mesure du nombre de parties équivalentes d'une chose est une mesure de la quantité de matière. La mole est l’unité de base SI de cette quantité. Cela correspond à l’option A.

Une autre grandeur de base SI bien connue est la température. La température est une grandeur bien connue, mais l’unité de température de base du SI n’est pas aussi familière. Les unités de température les plus connues sont degrés Celsius et degrés Fahrenheit. Ni l’un ni l’autre ne sont l’unité de température de base du SI.

L'unité SI de base de la température est définie de telle sorte que la température minimale possible soit égale à le zéro de ces unités. Les échelles Celsius et Fahrenheit ont des valeurs négatives et positives de température. L’unité de température pour laquelle il n’y a pas de valeur négative est le « kelvin. Une température mesurée en kelvin est appelée température absolue.

Prenons maintenant un exemple concernant le kelvin.

Exemple 6: Définir l’unité du SI de température

Lequel des énoncés suivants est le symbole de l’unité SI de température absolue?

  1. K
  2. C
  3. C
  4. °F

Réponse

L’unité de température absolue est le kelvin, donc la question est de savoir quel est le symbole de l'unité kelvin est.

Le symbole de l’unité degrés Celsius est C et le symbole de l’unité degrés Fahrenheit est °F. Aucune de ces unités ne sont des unités de température absolue.

Le symbole est le symbole de l’unité « degré », qui n'est pas une unité de température mais une unité de distance angulaire.

Le symbole de l’unité kelvin est donc soit C ou K. On pourrait supposer que comme initiale du mot kelvin est K, que le symbole de kelvin est K. C’est en fait correct. Le K est capitalisé comme le kelvin est nommé d’après une personne, et toutes les unités qui sont nommées d’après des personnes ont des symboles en majuscules.

L'option correcte est A.

On peut ajouter la mole et le kelvin au tableau des grandeurs et unités de base du SI et ajouter deux autres entrées à la fin du tableau dont nous n'avons pas parlé dans la fiche explicative, mais qui existe..

GrandeurUnité de base SISymbole d’unité
LongueurMètrem
TempsSecondes
MasseKilogrammekg
Quantité de matièreMolemol
Température absolueKelvinK
Courant électriqueAmpèreA
Intensité lumineuseCandelacd

En prenant la dernière entrée, nous voyons que la candela, qui a été mentionné dans un exemple précédent, est en fait associé à la lumière, comme le mot lumineux signifie relatif à la lumière..

Résumons maintenant ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Le système d’unité SI est le système standard pour effectuer des mesures scientifiques.
  • Une grandeur de base est une grandeur qui ne peut être dérivée d’autres grandeurs.
  • Les grandeurs de base du SI sont la longueur, le temps, la masse, la quantité de matière, la température absolue, le courant électrique et l’intensité lumineuse.
  • Chaque grandeur de base a une unité, et chaque unité a un symbole d’unité.
  • Une grandeur dérivée est obtenue en multipliant ou en divisant des grandeurs de base les unes par les autres.

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