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Vidéo de la leçon : Définitions des unités SI Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à reconnaître les unités du système SI et les grandeurs physiques qu’elles servent à mesurer.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, notre sujet est la définition des unités SI. Nous allons apprendre quelles sont les sept unités SI de base, appelées unités de base, et nous allons également apprendre comment ces unités de base sont définies. Nous verrons que même si les définitions de ces unités de base ont changé au fil du temps, cela ne signifie pas qu’elles sont arbitraires. Plutôt que de refléter le point de vue d’une personne, les définitions des unités SI de base sont soigneusement réfléchies et approuvées par un groupe de scientifiques qui se rencontrent spécifiquement pour discuter de ces questions.

Maintenant, quand nous parlons d’unités de base - que nous parlions spécifiquement du système SI, comme nous le ferons dans cette vidéo, ou dans un autre système d’unités – quasiment n’importe quel système inclut des unités de base pour ces trois grandeurs : longueur, masse, et temps. Et nous pouvons voir pourquoi. Ces grandeurs ont tellement de pertinence dans notre vie quotidienne. Lorsque nous considérons ces grandeurs dans le système SI, l’unité de base de la longueur est le mètre, abrégé m minuscule ; l’unité de base de la masse est le kilogramme, abrégé kg ; et l’unité de base SI du temps est la seconde. Il est possible de décrire de nombreuses grandeurs physiques différentes en utilisant ces unités.

Par exemple, si nous divisons une longueur en mètres par une durée en secondes, nous avons dérivé cette grandeur que nous pouvons appeler vitesse exprimée en mètres par seconde. Lorsque nous faisons un calcul comme celui-ci, nous prenons des unités fondamentales. C’est une autre façon de décrire les unités de base, dans ce cas les mètres et les secondes. Et nous les combinons afin de créer ce que nous appelons une unité dérivée, le mètre par seconde. Un autre exemple de ce processus consiste à multiplier une masse exprimée en unité de base en kilogrammes, par une longueur, écrite en mètres, puis divisée par un temps, en secondes et au carré. Lorsque nous combinons les unités de base de cette façon, nous calculons une force en unités de newtons. Dans cet exemple, le newton est l’unité dérivée, tandis que les unités fondamentales impliquées sont le kilogramme, le mètre et la seconde.

Maintenant, même si nous pouvons aller assez loin dans la description des phénomènes physiques en combinant ces trois unités de différentes façons, il y a certaines choses qu’elles ne décrivent tout simplement pas. Par exemple, le courant électrique. Il n’y a aucun moyen de combiner des mètres et des kilogrammes et des secondes pour pouvoir décrire un courant électrique. La même chose est vraie pour les valeurs de température, ainsi que pour ce que nous pouvons appeler la quantité de matière. De plus, les scientifiques ont identifié une autre grandeur, appelée intensité lumineuse, qui se réfère essentiellement à la luminosité d’une source de lumière, que nous aimerions pouvoir quantifier en utilisant une unité, mais que nous ne pouvons pas décrire en utilisant ces trois unités de base.

Ainsi, étant donné que nous aimerions pouvoir mesurer ces quatre nouvelles grandeurs, quatre autres unités de base ont été ajoutées dans le système SI. L’ampère a été ajouté pour décrire le courant. Le kelvin a été ajouté pour décrire la température. Et puis la mole et la candela ont été ajoutés pour décrire respectivement la quantité de matière et l’intensité lumineuse. Donc, dans le système SI tel qu’il existe aujourd’hui, il y a une, deux, trois, quatre, cinq, six, sept unités de base. Et pris séparément ou combinés ensemble, comme nous l’avons vu plus tôt pour arriver à des vitesses et des forces, nous sommes en mesure de décrire la plupart des grandeurs physique susceptibles de nous intéresser en nous servant de ces unités de base.

Maintenant, l’une des choses les plus importantes sur une unité de base est sa définition. Autrement dit, qu’est-ce qu’un mètre ou un kilogramme ou un ampère ? Ce n’est que lorsque nous connaissons ces définitions que nous pouvons relier des grandeurs réelles mesurées, de longueurs, de masses ou de courants électriques, aux unités que nous utilisons dans ce système. Alors, regardons maintenant quelles sont les définitions de ces sept unités de base. Maintenant, curieusement, comme nous l’avons mentionné, certaines de ces définitions ont changé au fil du temps. C’est parce qu’elles continuent à être affinés pour un maximum d’utilité et de clarté. Le mètre, par exemple, était défini auparavant comme étant égal à la longueur d’une barre spécifique faite d’un alliage métallique particulier maintenu à une température de zéro degré Celsius.

Dans ces circonstances, nous avions une barre qui était littéralement le mètre. Mais pour rendre cette définition plus précise, elle a été modifiée de sorte que maintenant, si nous prenons un atome de krypton-86, un isotope particulier de l’élément atomique krypton, et le laissons osciller dans un vide de sorte qu’il émette une lumière qui apparait rouge ou orange dont on connait la longueur d’onde, alors si nous prenons 1650763.73 de ces longueurs d’onde, alors nous aurons une longueur totale qui est maintenant la définition d’un mètre. Dans cette définition, ce nombre-là peut sembler arbitraire à première vue. Mais en définissant un mètre à ce niveau de précision, l’exactitude des mesures de longueur peut être améliorée.

Donc, c’est la définition pour uu mètre. Et maintenant, considérons la définition d’un kilogramme. Pour définir cette unité, il y a une masse de platine et d’iridium, qui est maintenue sous vide au Bureau International des Poids et Mesures à Paris. Et la masse de cet objet spécifique est considérée comme étant la masse d’un kilogramme. Donc, si quelqu’un demande, quelle est la masse d’un kilogramme ? La réponse est la masse de cet objet-ci. Maintenant, considérons la définition de l’unité de base de la seconde. Pendant un certain temps, la seconde a été définie en fonction des divisions d’un jour. Il y a 24 heures dans une journée et 3600 secondes dans une heure. Ainsi, cela a donné une base pour définir quelle fraction d’un jour représentait une seconde.

Mais tout comme le mètre, cette définition a été actualisée au fil du temps. La définition de la seconde implique maintenant un atome de césium-133. Lors des oscillations naturelles de cet atome, il émettra un rayonnement électromagnétique. Or, si nous nous installions en un point le long de cette onde passante et compterions le temps nécessaire pour que 9192631700 longueurs d’onde défilent devant nous, alors ce temps est défini comme la valeur d’une seconde. Donc, tout comme le mètre, la seconde est définie en termes d’émissions d’atomes.

Maintenant, considérons la définition de cette unité, l’ampère. Les ampères sont conçus pour quantifier le courant électrique. Et en tant que tel, nous pourrions nous attendre à ce que la définition implique une charge électrique, et c’est le cas. En effet, l’ampère est défini en fonction de l’unité de charge de base, la charge d’un électron.

Si nous prenons la charge d’un électron comme étant exactement 1,602176634 fois 10 puissance moins 19 coulombs, alors nous pouvons utiliser ce nombre avec le fait qu’un coulomb est égal à un ampère fois une seconde pour définir l’unité de l’ampère. En considérant cette équation, nous pourrions dire que nous avons déjà défini le côté gauche parce que c’est la charge d’un électron. Et puis, l’unité de base SI de la seconde est définie comme nous l’avons vu ci-dessus. Et cela signifie que, dans cette équation, les coulombs et les secondes sont définis avec précision, ce qui signifie que nous pouvons définir l’ampère en fonction de ceux-ci.

En passant à la définition du kelvin, nous pouvons rappeler que la température la plus froide possible, appelée zéro absolu, est zéro kelvin. Mais alors, disons que nous avions un objet au zéro absolu. Si sa température augmentait, disons d’un kelvin, à quelle augmentation cela correspondrait-il ? C’est là que la définition du kelvin est nécessaire. Cette définition est basée sur une valeur constante en physique appelée constante de Boltzmann. C’est une constante comme la charge d’un électron ou la constante de Planck.

Si nous définissons cette constante, souvent symbolisée en utilisant la lettre k minuscule, comme étant exactement cette valeur-ci, et que nous utilisons des unités de joules par kelvin pour décrire cette constante, alors dans ce cas, nous pouvons définir le kelvin en utilisant la même approche que nous utilisons pour définir l’ampère. Autrement dit, nous exprimons les autres unités dans cette expression, en particulier les unités de joules, qui sont constituées de kilogrammes et de mètres et de secondes, en fonction de leurs valeurs déjà définies. Donc, si toutes les unités de base SI qui composent un joule sont connues avec précision et que la constante de Boltzmann est aussi connue avec précision, alors ces deux choses nous donnent ensemble une définition précise du kelvin.

Maintenant, si nous considérons la définition de base d’une mole, elle est un peu plus simple que celles que nous avons vues jusqu’à présent. Nous disons simplement qu’une mole d’une substance est égale à 6,02214076 fois 10 fois puissance 23 entités de cette substance. Et ce mot « entités » pourrait désigner des atomes ou des molécules, ou il pourrait même désigner quelque chose de plus grand. Admettons qu’une entité est un grain de sucre. Eh bien alors, une mole de grains de sucre sera 6,02214076 fois 10 puissance 23 grains de sucre.

Et enfin, nous arrivons à la définition de l’unité d’intensité lumineuse, la candela. C’est peut-être la moins connue des sept unités de base SI. Mais en regardant ce mot « candela », nous pourrions deviner à quoi il se réfère. Cela ressemble au mot « chandelle ». Et en effet, une candela d’intensité lumineuse vaut à peu près la quantité de lumière dégagée par une bougie. Aujourd’hui, cependant, une candela est définie plus précisément. Nous admettons que le rayonnement à une certaine fréquence, 540 fois 10 puissance 12 hertz, est exactement égal à cette grandeur : 683 candelas fois des stéradians divisé par des watts.

Le watt est l’unité SI de la puissance, qui peut être définie en fonction des unités de base des mètres, des kilogrammes et des secondes, tandis que l’unité stéradian fait référence à ce qu’on appelle un angle solide de sorte que si nous avions une sphère comme celle-ci, et que nous choisissions une aire sur la surface de la sphère égale au rayon de la sphère au carré, alors la distance de cette surface au centre de la sphère est également 𝑟. Et cela signifie que tout cet angle solide que nous avons identifié ici est un stéradian. Alors, dans cette équation pour définir une candela, nous connaissons précisément notre fréquence. Nous connaissons précisément les watts et les stéradians. Et sur cette base, nous pouvons définir une candela d’intensité lumineuse. Donc, ce sont nos définitions des sept unités de base SI. Voyons maintenant un exemple d’exercice impliquant ces unités.

Laquelle des unités SI suivantes est définie comme étant égale à l’intervalle pendant lequel les atomes de césium-133 émettent 9192631700 ondes ? (A) le mètre, (B) la mole, (C) la candela, (D) la seconde, (E) le stéradian.

Il y a plusieurs façons de répondre à cette question. Une façon consiste à rappeler les définitions de chacune de ces cinq unités SI. Alors, nous pouvons rappeler que le mètre, par exemple, est défini en fonction d’un certain nombre de longueurs d’onde dégagées par l’isotope krypton-86. Et de même, nous pourrions rappeler ici des définitions tout aussi précises pour les autres unités SI. Mais une deuxième façon de répondre à cette question, qui ne nécessite pas la connaissance de nombres comportant de nombreux chiffres significatifs, consiste à penser en fonction non pas des définitions de chacun de ces termes, mais plutôt de la grandeur physique qu’ils mesurent.

En réfléchissant à ces valeurs et en commençant par le haut de la liste, on peut rappeler que le mètre est l’unité de base SI conçue pour mesurer la longueur. C’est la grandeur physique que représentent les mètres.

Et puis qu’en est-il de l’option (B) une mole ? Cette unité est utilisée pour indiquer une quantité de matière. Ainsi, par exemple, nous pourrions avoir une mole de chlorure de sodium ou une mole d’eau.

En passant à la candela, cette unité nous est peut-être moins familière. Mais le nom de l’unité elle-même peut nous donner une idée de ce qu’elle indique. Candela ressemble un peu à chandelle. Et en effet, cette unité est utilisée pour indiquer la luminosité ou l’intensité lumineuse d’une source de lumière.

Passons à l’option (D) la seconde, nous savons que cette unité est destinée à mesurer des intervalles de temps.

Et puis, enfin, l’unité stéradian, dans ce mot « stéradian », nous voyons le mot « radian ». Et cela peut nous servir à trouver la grandeur à laquelle correspondent les stéradians. Un radian, nous le savons, mesure un angle. Un radian, d’ailleurs, est indiquée par un angle, où la longueur de l’arc sous-tendu par cet angle est égale au rayon du cercle dans lequel cet angle est inscrit. Maintenant, quand nous passons d’un radian à un stéradian, nous passons d’un angle en deux dimensions comme celui-ci à un angle en trois dimensions, ce qu’on appelle un angle solide. Donc, au lieu d’un cercle, nous avons maintenant une sphère.

Et si nous considérons un angle tridimensionnel, à partir du centre de la sphère, qui couvre une aire à la surface de la sphère égale au carré du rayon de la sphère, alors cela nous dit que cet angle tridimensionnel ou solide est ici égal à un stéradian. C’est la grandeur que mesurent les stéradians.

Maintenant que nous savons tout cela, revenons à l’énoncé du problème. Cette affirmation décrit une unité égale à un intervalle dans lequel certains atomes de césium-133 émettent un certain nombre d’ondes. Sachant cela, nous pouvons dire que cet intervalle, quelle que soit l’unité à laquelle il correspond, n’est pas, par exemple, une quantité de matière. Nous pouvons également dire que cet intervalle ne fait pas référence à une certaine quantité d’intensité lumineuse ou de luminosité d’une source de lumière. Et aussi, il n’y a pas de directivité associée à cet intervalle. Cela n’intervient pas sur un certain angle ou selon une certaine direction. Nous pouvons donc dire que cet intervalle ne fait pas référence à un angle solide. Tout cela signifie que nous pouvons éliminer la mole, la candela et le stéradian.

Alors, est-ce que cet intervalle est une longueur ou est-ce un temps ? Eh bien, notez que nous avons un nombre spécifique d’ondes émises par ces atomes de césium-133. Mais on ne nous donne pas la longueur d’onde de ces ondes. Et en général, en fonction du niveau d’énergie de ces atomes, cette longueur d’onde pourrait varier. Et donc, il semble que cette définition n’indique pas une longueur spécifique. Plutôt, elle semble indiquer un certain laps de temps pendant lequel ce nombre d’ondes peut être émis par ces atomes.

Maintenant, si nous ne savons toujours pas laquelle de ces unités choisir entre le mètre et la seconde, nous pouvons être aidés en nous souvenant un peu des définitions de ces unités. Rappelez-vous, nous avons dit qu’un mètre est défini en fonction du nombre de longueurs d’ondes émises par le krypton-86. C’est certainement différent du césium-133. Donc, nous tendrions à choisir la seconde comme réponse. Et puis enfin, si nous pouvons nous rappeler de la définition d’une seconde, nous saurons que cette définition correspond à cette description-ci. Tout cela nous montre que ce n’est pas le mètre qui est l’unité SI décrite ici, mais la seconde. Une seconde est l’intervalle de temps dans lequel les atomes de césium-133 émettent 9192631700 ondes.

Résumons maintenant ce que nous avons appris sur les définitions des unités SI. Dans cette leçon, nous avons vu que dans le système international, ou SI, il y a sept unités de base. Ce sont le mètre pour indiquer les longueurs, le kilogramme qui décrit les valeurs de masse, la seconde qui indique le temps, l’ampère qui indique le courant électrique, le kelvin qui indique la température d’un objet, la mole qui indique la quantité de matière d’un composé, et enfin la candela qui nous indique l’intensité lumineuse ou de la luminosité d’une source de lumière.

Nous avons vu que ces sept unités de base sont également appelées unités fondamentales et qu’en les combinant, il est possible de créer ce qu’on appelle des unités dérivées. Nous avons vu, par exemple, que lorsque nous divisons une longueur par un intervalle de temps, cela nous donne une grandeur que nous appelons souvent vitesse. Et l’unité de la vitesse, le mètre par seconde, est considéré comme une unité dérivée. Et c’est parce qu’elles sont constituées des unités fondamentales mètres et secondes.

Et enfin, dans cette leçon, nous avons étudié les définitions de chacune de ces sept unités de base. Nous avons vu comment, dans certains cas, les définitions sont restées les mêmes pendant de longues périodes, tandis que dans d’autres, elles ont été mises à jour pour plus de précision et de clarté. Ceci est un résumé des définitions des unités SI.

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