Ce semestre, j’ai commencé à donner des cours particuliers au centre d’études de physique et de mathématiques. Je suis le seul tuteur de physique « pure » – le reste des tuteurs sont des mathématiciens ou des ingénieurs qui se sentent très à l’aise avec les mathématiques (à juste titre, ils sont tous assez géniaux). La plupart d’entre eux évitent les problèmes de physique, cependant, me laissant moi – et une poignée d’autres tuteurs – gérer le sujet redouté.
En général, la physique semble avoir cette aura qui effraie les gens avant même qu’ils ne commencent à résoudre un problème. Cela commence avec la physique très basique, mais continue avec le matériel de niveau supérieur. La différence semble être que seuls ceux qui aiment la physique – et trouvent une bonne façon de l’aborder – restent pour traiter les trucs de niveau supérieur.
La physique – et la plupart des sujets scientifiques – peut être très compliquée. La description de notre monde n’est pas toujours intuitive, et nécessite parfois une compréhension mathématique et conceptuelle très avancée. Cela peut expliquer pourquoi tout le monde ne s’oriente pas vers une carrière de physicien. Cela et, bien, le salaire.
En physique de base – matériel couvert dans les cours de lycée et les cours universitaires de bas niveau – la méthodologie est simple. Il n’y a pas besoin de paniquer. Très souvent, c’est la panique elle-même qui empêche les étudiants de traiter le sujet avec soin et de tirer le meilleur parti de ces cours.
Dans mon expérience de tutorat pour (et de prise) des cours de physique de bas niveau, j’ai élaboré quelques règles de base qui peuvent vous aider à conquérir les problèmes. Celles-ci vous aideront que le problème soit dans un devoir à la maison ou dans un examen. Nous allons les passer en revue maintenant.
Ne paniquez pas.
Ça semble évident, non ? Et pourtant, c’est plus difficile qu’il n’y paraît. Vous regardez la question et les phrases vous menacent, vous déroutant au plus haut point. Vous ne savez pas par où commencer, même si vous reconnaissez les concepts de base. Quelles voitures vont dans quelle direction ? Quel type d’onde se déplace sur la corde ? Aidez-moi, pensez-vous avec terreur. Aidez-moi…!
C’est le moment de prendre une profonde respiration, de fermer les yeux et de compter jusqu’à cinq.
En physique de niveau inférieur, la plupart des questions peuvent être résolues par des formules simples. Tant que vous vous rappelez de ces formules, vous avez la plupart du chemin vers une réponse. À partir de maintenant, la seule chose sur laquelle vous devez vous concentrer est de convertir l’horrible et confus morceau de texte en bits lisibles qui s’adaptent à vos formules. Vous pouvez le faire.
Essayer de comprendre la situation
Que se passe-t-il dans ce problème ? S’agit-il d’une balle en chute libre depuis une certaine hauteur ? S’agit-il de la vitesse de Superman alors qu’il vole pour sauver Lois Lane à une certaine distance ? Ou peut-être s’agit-il d’une question sur le magnétisme ? L’électricité ?
Déterminez d’abord le contexte. Vous n’avez pas besoin de comprendre tous les petits détails, mais une fois que vous saurez de quoi il s’agit en général, vous saurez comment formuler votre réponse et quelles équations utiliser.
Lisez attentivement la question
Donc vous comprenez maintenant la situation physique, et vous savez de quel sujet traite cette question (ou de plusieurs sujets). Maintenant, relisez la question, et assurez-vous que vous êtes clair sur ce qu’elle vous demande réellement de trouver. Le même type de problème – par exemple, une balle qui rebondit – peut vous demander de trouver la vitesse initiale, la hauteur maximale ou l’angle de lancement. Chacun de ces éléments nécessitera une stratégie légèrement différente. Assurez-vous de savoir ce que vous devez faire.
Un autre bon conseil à retenir à ce stade, aussi, est que de nombreux problèmes de physique ont des informations très cruciales dans la formulation. Une voiture qui démarre au repos, par exemple, signifie que votre vitesse initiale est nulle. Deux objets tombant d’une fenêtre pourraient se comporter différemment s’ils sont tous deux attachés l’un à l’autre.
Lisez attentivement la question – ce n’est pas le moment de lésiner. Assurez-vous de ne pas manquer d’informations cruciales.
Organisez l’information
Les problèmes de mots ne sont déroutants que parce qu’ils cachent les variables réelles qu’ils contiennent. Parfois, on vous donnera des informations supplémentaires dont vous n’aurez pas vraiment besoin. D’autres fois, il y aura des variables dont le but est révélé dans une partie ultérieure de la question.
Par exemple, si la question porte sur une voiture qui commence à bouger à partir du repos et qui prend 5 minutes pour atteindre une vitesse de 20 km/h, vous devriez écrire les variables de base comme suit :
- v(initial) = 0 km/h
- t(final) = 5 minutes
- v(final) = 20 km/h
- a = ?
Faites ceci avec toutes les informations que vous obtenez de la question. Cela vous aidera à voir clairement les variables devant vous, à trouver la bonne équation à utiliser et à voir ce qui vous manque. Cela rendra également inutile le texte original, qui prête à confusion. Si vous organisez vos informations, votre cerveau sera libre de s’occuper de la physique réelle au lieu de la compréhension de la lecture.
Esquisser la scène
En physique, dessiner une image peut vraiment faciliter les choses. Par exemple, avoir une idée visuelle de votre cadre de référence, ou de la différence entre haut (positif) et bas (négatif), peut faire la différence entre une bonne réponse et une mauvaise.
Vous n’avez pas besoin d’être bon en dessin. Dessinez un schéma approximatif en fonction de la situation. Les flèches sont vos amies dans les questions de physique – elles vous montrent dans quelle direction un objet se déplace ou quelle est la somme possible des forces qui lui sont appliquées. Elles organisent l’information pour vous. Utilisez-les.
Certaines questions sont déjà accompagnées d’un dessin – utilisez-le ! Les questions sur les forces, par exemple, sont mieux résolues par un schéma, et vous pouvez passer à côté d’informations cruciales que vous ne voyez pas immédiatement si vous ne les esquissez pas.
Allez-y, Picasso, donnez votre meilleur coup et passez à l’étape suivante.
Vérifiez les unités
Parfois, votre professeur testera vos compétences en matière de conversion d’unités. Ce n’est pas sans raison – en physique (et en sciences en général), les unités sont cruciales. Vous devez vous assurer que vos unités sont les mêmes tout au long de l’exercice, sinon les formules ne fonctionneront pas. Si vous multipliez la vitesse par le temps, vous obtiendrez la distance (en supposant une accélération constante), mais si la voiture s’est déplacée à 10 km par heure pendant 5 minutes, multiplier 10 par 5 ne vous donnera pas la bonne réponse. Vous devrez plutôt soit convertir les kilomètres par heure en kilomètres par minute, soit (et c’est probablement plus facile) convertir 5 minutes en unités d’heures.
La meilleure façon de le faire est par fractions, mais il existe suffisamment de guides de conversion d’unités qui expliquent ce concept. N’oubliez pas de ne pas paniquer, faites-le soigneusement et vous obtiendrez vos valeurs correctes.
Si nous continuons notre exemple de la dernière partie, nous devrions convertir le t(final) des minutes en heures. Ce n’est pas trop difficile à faire :
\(5 \text{ minutes} * \frac{1 \text{heure}}{60 \text{ minutes}} = \frac{1}{12} \text{hour}\)
(Vous voyez comment les unités ‘minutes’ sont annulées avec les unités ‘minutes’ du dénominateur, laissant les unités ‘heures’ avec la réponse finale ? c’est un excellent moyen de vérifier que votre conversion est correcte)
Maintenant que toutes vos variables sont dans les bonnes unités, vous pouvez continuer à résoudre la question.
Considérez vos formules
C’est vrai pour la plupart des questions de physique, et absolument vrai dans la physique de niveau inférieur. En tant qu’étudiant en physique de base, on n’attend pas de vous que vous réinveniez la roue – ou même que vous compreniez comment la roue a été inventée en premier lieu. Ce que l’on attend de vous, c’est que vous compreniez les concepts et que vous utilisiez les outils à votre disposition.
Le plus important de ces outils sont les formules.
Certains professeurs exigeront que vous mémorisiez les formules pertinentes, tandis que d’autres vous donneront une « antisèche ». Dans tous les cas, vous avez ce dont vous avez besoin. La mémorisation peut sembler horrible, mais la plupart des sujets de physique n’ont pas tant d’équations à mémoriser. Je me souviens avoir suivi un cours avancé d’électromagnétisme où je devais mémoriser environ 20 formules différentes. Au début, cela semblait terrible, et je me souvenais toujours mal des formules. Cependant, plus vous utilisez les formules, et plus vous comprenez ce qu’elles signifient et – si vous vous souciez assez de vérifier – d’où elles viennent, plus il devient facile de les mémoriser.
Organisez vos formules devant vous. Si vous avez une antisèche, alignez-la à côté de vos variables. Quelle formule pouvez-vous remplir en laissant le moins de variables manquantes ? Quelle formule peut vous aider à résoudre la question ?
Vous la voyez ? Utilisez-la.
Mais attendez, quelle formule dois-je utiliser ?!
Vous regardez votre feuille de formules et vous en avez trois différentes qui sont marquées sous le sujet du problème. Comment savoir laquelle utiliser ? Naturellement, vous commencez à paniquer à nouveau.
Ne paniquez pas.
Les équations physiques n’ont pas débarqué du ciel sur les scientifiques, toutes emballées joliment dans une formulation mathématique. Elles sont dérivées de propriétés physiques, et elles sont toutes interconnectées. Dans la plupart des problèmes de physique, il existe plus d’une façon d’atteindre une solution, ce qui signifie souvent que plus d’une équation peut fonctionner. En fait, dans la grande majorité des questions, quelle que soit l’équation que vous utilisez – en supposant qu’elle soit pertinente pour le sujet et que vous insériez les variables appropriées – vous arriverez à une solution.
La façon de savoir quelle équation utiliser dépend de deux questions principales : les variables qui vous sont données dans l’équation et votre expérience. Plus vous résoudrez de problèmes, plus vous vous familiariserez avec les stratégies permettant de choisir la bonne formule. En attendant, cherchez la formule qui contient les variables que vous connaissez déjà (dans votre liste de variables) et qui les relie à la variable qui vous manque. Si vous avez deux variables manquantes, vous aurez probablement besoin de deux équations.
Du calme, regardez votre liste de variables, et trouvez les bonnes. C’est comme un puzzle, et plus vous le faites, plus vous vous améliorez.
Solve
Vous avez vos variables, vous avez votre croquis, vous savez ce qui se passe – branchez, résolvez et obtenez votre réponse.
N’oubliez pas : vous pourriez vous retrouver avec une équation relativement longue à résoudre, ou parfois deux (ou plus). N’oubliez pas votre objectif. Continuez à jeter un coup d’œil à votre liste de variables. Vous voyez cette petite variable marquée d’un point d’interrogation, vous notez celle qui vous manque ? C’est celle que vous devez résoudre. Concentrez-vous. Garde l’objectif en tête. Résolvez les équations.
Maintenant respirez.
Vérifiez vos résultats
C’est une étape que beaucoup d’étudiants sautent, et qu’ils paient ensuite. Je l’ai payé cher lors de mon examen final de physique au lycée, en fait, et je ne le ferai plus jamais. La vérification des résultats peut être aussi simple que de parcourir vos équations et de prendre 15 secondes pour réfléchir à la réponse que vous avez obtenue.
Cela peut faire la différence entre 100% et 70%, et parfois pire.
Qu’est-ce que je veux dire par vérifier le résultat ? Eh bien, si la réponse que vous avez obtenue pour la vitesse de votre voiture est supérieure à la vitesse de la lumière, vous avez probablement tort. Si les unités d’accélération ne correspondent pas aux unités de distance/temps^2 appropriées, vous avez fait une erreur. Si votre question demande des minutes et que votre réponse est en secondes, vous avez manqué une étape.
Lisez attentivement les instructions et vérifiez votre méthode. C’est vraiment important.
Pratiquez. Pratique. Pratique.
Mais cela ne semble pas être correctement évident pour beaucoup d’étudiants.
J’ai parfois des regards étonnés de la part des étudiants que je tutore lorsque je trouve la façon parfaite de résoudre une question qu’ils viennent de passer une demi-heure à essayer de résoudre. « Je n’y aurais jamais pensé ! » s’exclament-ils, émerveillés par mon génie. Eh bien, même si mon ego aimerait accepter ce compliment, je ne suis pas un génie. La raison pour laquelle je vois la solution rapidement est généralement due à mon expérience – j’ai fait tellement de ces questions que j’ai déjà anticipé la méthode qui fonctionnerait probablement le mieux.
Ai-je raison tout le temps ? Bien sûr que non. Parfois, je commence avec une méthode et je découvre que c’était la mauvaise voie. Mais ces « erreurs » ne servent qu’à vous apprendre comment aborder différents ensembles de questions. Plus vous les faites, moins il vous faut de temps pour reconnaître la manière réellement efficace de les résoudre.
C’est une question d’expérience. Ne paniquez pas et n’abandonnez pas. La physique est moins difficile que vous ne le pensez (la plupart du temps).
Exemple de problème et de solution
Nous avons donc essayé de construire une méthode pour attaquer les problèmes de physique générale. Voyons comment cela fonctionne en pratique en choisissant un exemple de question que j’ai récupéré dans ce document en ligne.
Le problème
Un homme traîne une boîte sur le sol avec une force de 40N selon un angle. La masse de la boîte est de 10kg. Si l’accélération de la boîte est de 3,5 m/s^2 (et que le frottement peut être négligé) à quel angle par rapport à l’horizontale l’homme tire-t-il ?
Stratégie
- Ne paniquez pas.
- Essayez de comprendre la situation
Dans ce cas, c’est assez simple. Un homme tire une boîte sur le sol, seulement il la tire à un angle. La boîte est accélérée vers l’avant.Puisqu’on ne nous parle que de l’accélération vers l’avant, nous devrons considérer les forces horizontales (ou la projection horizontale) – la projection verticale ne semble pas être pertinente pour ce problème pour l’instant. - Lisez attentivement la question
Dans ce cas, la question est courte, et il est difficile de manquer des données. Pourtant, nous reconnaissons que nous avons une certaine force sur la boîte, et que nous sommes censés trouver l’angle de cette force. Maintenant nous savons ce que nous devons faire, et nous pouvons passer à l’étape suivante. - Organiser l’information
Voici une liste de nos variables :- Force(homme) = 40N
- m(boîte) = 10 kg
- a(boîte) = 3.5 m/s^2
- Esquisse de la scène
Dans ce cas, il y a déjà un dessin dans le document original, mais je l’ai laissé de côté exprès. Essayez de l’esquisser par vous-même. Nous avons une boîte, une force qui la tire à un angle. Comme ceci:
Maintenant nous pouvons voir ce que nous sommes censés trouver, et ce que nous avons déjà. - Vérifier les unités
Toutes nos unités s’adaptent à ce cas. Pas besoin de conversions. - Considérez vos formules
Bien, voici les principales formules qui traitent des forces de base :- F=ma
- \(F_{\text{x}}=F cos(\theta)\)
- \(F_{\text{y}}=F sin(\theta)\)
Les formules #2 et #3 sont la déconstruction du vecteur de force (si vous ne savez pas ce que cela signifie, vous devriez revoir le matériel) – ce sont les formules qui relient la force (que nous connaissons) à l’angle (que nous voulons découvrir)
- Résoudre
Rappelez-vous notre partie « Comprendre le problème » ? Nous y avons dit que puisque l’accélération est sur l’horizontale, nous devrons considérer la force horizontale ou la projection de cette force. Et nous savons que F=ma, ce qui signifie que l’accélération est le résultat direct de la force. Quelle est donc la force sur la boîte ?
\(F_{\text{box}}=m_{\text{box}}a_{\text{box}}=10\text{ kg}*3.5 m/s^2 = 35 \text{N}\) Il s’agit de la force responsable de l’accélération – et puisque la seule force en jeu est celle exercée par l’homme qui tire, il doit s’agir de la projection horizontale de la force de ce dernier. Prenons la composante horizontale, et introduisons ce que nous avons : - \(F_{\text{\}}=F cos(\theta)\)
- \(35=40 cos(\theta)\)
- \(\frac{7}{8}= cos(\theta)\)
- \(\theta=cos^{-1}(\frac{7}{8})\)
- \(\theta=28.96\) Ce qui est notre réponse.
- Vérifiez vos résultats
Bien, réfléchissons-y un instant. L’homme tire la corde avec un angle. Mais la projection (35N) n’est pas très éloignée de la force réelle qu’il utilise (40N) – il est donc assez logique que l’angle soit relativement petit – même plus petit que 45 degrés.
Psst… Vous avez réussi !
Résumé
Ne laissez pas le sujet vous embourber avant même de l’aborder. La physique semble horriblement compliquée, mais la plupart de ses questions de niveau de base sont similaires – une fois que vous avez compris le concept, vous avez la solution.
Donc, pour résumer :
- Ne paniquez pas.
- Essayez de comprendre la situation.
- Lisez attentivement la question.
- Organisez l’information.
- Esquissez la scène.
- Vérifiez les unités.
- Considérez vos formules.
- Solvez.
- Vérifiez vos résultats.
- Pratiquez. Pratique. Pratique.
Voilà. Ce n’était pas si mal, n’est-ce pas ?
C’est une question d’expérience, de confiance et d’organisation. Étudiez bien la matière afin de comprendre les concepts (même si vous détestez les maths) et comprenez les équations que vous devez utiliser. Abordez les problèmes patiemment et avec organisation, et vous verrez comment vous devenez soudainement bon en physique. Peut-être même très bon. Heck, peut-être que vous en ferez votre matière principale à l’université !
Avez-vous d’autres conseils sur la façon d’aborder les questions de physique ? Est-ce que vous rencontrez régulièrement des problèmes avec certains types de problèmes ? Ajoutez votre contribution dans les commentaires !
Credits
- UnintentonalChaos, pour une aide à l’édition incroyablement géniale.
- Daniel Grrrrrrrrrrrrrrrrreenberg, pour ses (comme d’habitude) yeux aiguisés et ses bons conseils.
- Pour Toby, pour avoir signalé les dernières corrections même si elle n’aime pas tout à fait la physique (personne n’est parfait).
- Crédit photo : RLHyde de Flickr.
.