Mesure physique

La mesure physique est l'estimation ou la détermination d'une dimension spécifique, généralement en relation avec un étalon ou une unité de mesure.


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Mesure physique - Métrologie - Physique expérimentale - Concept fondamental de la physique

La mesure physique est l'estimation ou la détermination d'une dimension spécifique (longueur, capacité, etc. ), généralement en relation avec un étalon (ou standard en anglais) ou une unité de mesure. Le résultat de la mesure physique s'exprime en termes de multiple de l'étalon (un nombre réel multipliant l'unité). On pourra citer comme exemple la mesure de distances (kilomètres, miles, lieues) ou la mesure du temps (secondes, heures). Le processus de mesure physique implique l'estimation ou la détermination du rapport de la grandeur d'une quantité à celle d'une unité de même type (i. e. longueur, temps, masse, etc. ). Une mesure physique est le résultat d'un tel processus, exprimé comme le produit d'un nombre réel et d'une unité, dans lequel le réel est le rapport estimé. À la différence d'un compte, c'est-à-dire une quantité entière d'objets connue de manière exacte, chaque mesure physique est en réalité une estimation et possède par conséquent une certaine incertitude.

Généralités

En sciences naturelles, l'acte de mesurer un objet implique de comparer une caractéristique de l'objet avec une unité-étalon en utilisant un instrument dédié dans des conditions contrôlées. On pourra citer comme exemples d'instruments de mesure le thermomètre, le voltmètre, le tachymètre, le dynamomètre, etc. . Afin d'effectuer une mesure physique avec précision, les instruments de mesure doivent être fabriqués avec précaution et correctement étalonnés. Cependant, chaque mesure possède une incertitude associée, estimateur de la qualité de la mesure. Ceci veut dire que, quoiqu'une mesure soit donnée de manière usuelle par un nombre suivi d'une unité, elle possède en réalité trois composantes : l'estimation, l'incertitude et la probabilité que la mesure soit comprise dans un intervalle donné. A titre d'exemple, la mesure de la longueur d'une planche peut donner 9 mètres plus ou moins 0, 01 mètre, avec une probabilité de 0, 95. C'est à dire, si on procède 100 fois à la mesure de cette longueur, à peu près 95 fois on trouvera une valeur comprise entre 8, 99 mètre et 9, 01 mètre (on parle d'intervalle de confiance à 95%).

La mesure se distingue généralement du comptage. Une mesure est un nombre réel et n'est jamais exact. Un compte (ou dénombrement) est un entier naturel et peut être exact. On peut par exemple dire qu'il y a douze œufs dans un carton en les dénombrant. Cependant, certains groupes ne peuvent être aisément dénombrés, et estimer leur nombre par une approche statistique peut être comparable à effectuer une mesure physique. Ainsi par exemple, l'estimation du nombre de malades lors d'une pandémie ou le dénombrement des étoiles appartenant à la Voie lactée possèdent des marges d'erreurs associées, et peuvent être reconnues comme estimées plutôt que comme comptées de manière exacte.

La mesure physique est principale dans la majorité des champs scientifiques (chimie, physique, biologie, etc. ). La mesure physique est aussi principale à la plupart d'applications industrielles et commerciales allant de l'ingénierie à la production manufacturière, en passant par la production pharmaceutique ou l'électronique.

Systèmes de mesures

Avant que les unités du système international soient adoptées dans le monde entier, il existait (de manière simultanée ou non) de nombreux dispositifs, plus ou moins pratiques et plus ou moins généralisés en termes d'aires d'expansions, d'utilisations professionnelles ou autres.

Systèmes de mesures non métriques

Système impérial (GB, Commonwealth & US)

Article détaillé : Unités de mesure anglo-saxonnes.

Les dispositifs britanniques des unités anglaises, puis ultérieurement des unités impériales, étaient utilisées en Grande-Bretagne, dans le Commonwealth ainsi qu'aux États-Unis d'Amérique avant la généralisation du système international. Le dispositif vint à être connu comme unités d'échange U. S. aux États-Unis d'Amérique où il est toujours appliqué, mais aussi dans certains pays des Caraïbes. Ces dispositifs de mesures variés ont été un temps nommés pied-livre-seconde (PLS) selon les noms des unités impériales pour la distance, le poids et le temps. La majorité des unités impériales sont toujours utilisées en Grande-Bretagne en dépit du basculement général vers le dispositif international. Les panneaux routiers sont toujours en miles, yards, miles par heure, etc. , les gens tendent à indiquer leurs mesures en pied et pouces, et la bière est commercialisée en pintes, pour donner quelques exemples. Les unités impériales sont utilisées dans de nombreux autres lieux, surtout dans de nombreux pays du Commonwealth qui sont néenmoins reconnus comme "métriques", les surfaces de terrains sont mesurées en acres et les surfaces de sol en pieds carrés, en particulier dans les transactions commerciales (plus que dans les statistiques gouvernementales). De manière identique, le gallon impérial est utilisé dans de nombreux pays reconnus comme "métriques" dans les stations d'essences et pétrolières, comme par exemple dans les Émirats arabes unis.

Système métrique

Vue d'artiste de l'étalon kilogramme en platine iridié.
Article détaillé : Système métrique.

Le système métrique est un dispositif de mesure décimalisé basé sur le mètre et le gramme. Il existe dans de nombreuses variantes, avec différents choix d'unités de base, quoique cela n'affecte en rien ses applications quotidiennes. Depuis les années 1960, le système international d'unités (SI) - détaillé plus bas - est le dispositif métrique standard internationalement reconnu. Les unités métriques de masse, de longueur, et d'électricité sont beaucoup utilisées tant dans les applications quotidiennes que scientifiques. Le principal avantage du dispositif métrique est qu'il possède une seule et unique unité de base pour chaque quantité physique. L'ensemble des autres unités sont des puissances de 10 de l'unité de base. Les conversions entre unités sont par conséquent simples du fait qu'il suffit de multiplier (respectivement diviser) par 10, 100, 1000, etc. pour passer d'une unité à l'autre. L'ensemble des longueurs et distances sont , par exemple, mesurées en mètres, ou en millièmes de mètres (millimètres) ou en milliers de mètres (kilomètres) et ainsi de suite. Il n'y a par conséquent pas profusion d'unités différentes avec des facteurs différents pour la conversion comme dans le dispositif impérial. L'utilisation de fraction (comme par exemple 2/5 de mètre) n'est pas interdit mais est peu courant.

Système international

Article détaillé : système international d'unités.

Généralités

Le système international d'unités (abrégé en SI) est la forme moderne et révisée du système métrique. C'est le système d'unités le plus commun dans le monde, à la fois dans la vie courante et dans les domaines scientifiques. Le SI a été développé dans les années 1960 à partir du dispositif MKS (mètre-kilogramme-seconde) préférentiellement au système CGS (centimètre-gramme-seconde), qui possède de multiples variantes. Le SI introduit dès ses débuts de nombreuses et nouvelles unités ne faisant pas partie originellement du dispositif métrique.

Il y a deux types d'unités SI, les unités de base et les unités secondaires. Les unités de base sont les mesures correspondant au temps, à la longueur, à la masse, à la température, à la quantité (d'objets), au courant électrique, et l'intensité lumineuse. Les unités secondaires sont construites sur les unités de base; comme par exemple la masse volumique qui s'exprime en kg/m³.

Préfixes de conversion

Article détaillé : Préfixe du dispositif international.

Pour «éliminer» les préfixes, l'utilisation de la multiplication est le plus simple. Convertir les mètres en centimètres revient à multiplier les quantités en mètres par 100, dans la mesure où il y a 100 centimètres dans un mètre. Et vice versa.

Les dimensions de base

Longueur

Articles détaillés : Longueur et Mètre.

Les longueurs mesurées s'expriment dans le dispositif international en mètre (symbole : m). Dans la vie courante, et selon les cas, on fait régulièrement usage des multiples courants que sont le kilomètre, le centimètre et le millimètre :

Temps

Articles détaillés : Temps et Deuxième (temps) .

Les mesures du temps s'effectuent dans le dispositif international en seconde. La seconde est l'unique unité du dispositif international dont l'usage conserve une référence au dispositif de comptage sexagésimal, possédant des unités dérivées d'ordre supérieur qui ne sont pas multiples de 10 de l'unité de base, mais multiples de 60 (minute, heure), puis de 24 (jour), etc.

Masse

Articles détaillés : Masse et Kilogramme.

La masse est généralement exprimée en kilogramme (habituellement nommé "kilo", symbole : kg). Cette appellation rappelle que le kilogramme est à l'origine un multiple du gramme, unité de base du dispositif CGS. On pourra noter que ceci a conduit à conserver un nom spécifique pour le multiple de mille kilogrammes qui n'est jamais nommé kilokilogramme mais est connu sous le nom de tonne (symbole : T).

Température

Articles détaillés : Température et Kelvin.

L'unité de température absolue du dispositif international est le kelvin (K), mesure directe de l'agitation thermique. Cette unité est utilisée de manière usuelle dans le domaine scientifique. Dans la vie courante (hors espace américain anglophone), l'unité utilisée est le degré dit "Celsius" (°C) (anciennement nommé centigrade) - dont l'échelle fut construite sur les phénomènes de fusion-ébullition de l'eau, qui se déduit de l'échelle Kelvin par la transformation suivante : température (°C) + 273, 15 = température (K) .

Quantité de matière

Articles détaillés : Quantité de matière et Mole (unité) .

Une quantité de matière (Q) est exprimée selon l'échelle molaire dont l'unité est la mole (mol). Cette unité correspond à 6, 02.1023 objets (nombre d'Avogadro). Elle est souvent utilisée en chimie, en particulier pour les mesures de densité ("homogène" à Q/L³) qui rapportent la quantité de matière (ou d'objets chimiques) à un volume.

Courant électrique

Articles détaillés : Courant électrique et Ampère (unité) .

L'intensité du courant électrique est mesurée en ampère (A) dans le dispositif international, à partir duquel sont dérivées les autres unités appliquées pour les mesures de courant électrique (c'est-à-dire le volt (V) pour la différence de potentiel et l'ohm (Ω) pour la résistance, entre autres).

Intensité lumineuse

Articles détaillés : Intensité lumineuse et Candela.

Dans le dispositif international, l'intensité lumineuse (sous-entendu perçue par l'œil humain) est mesurée par une échelle dont l'unité de base est le candela (cd, à ne pas confondre avec "Cd", symbole chimique du cadmium).

Grandeurs et unités secondaires

Grandeurs secondaires à dimensions non nulles et unités utilisées

Dans le tableau ci-après sont présentées des grandeurs secondaires à dimensions non nulles et leurs unités[1], mais aussi quelques instruments de mesures.

Dimension Unité secondaire Symbole (S. I. ) Homogène à Exemples d'unités dérivées Instruments de mesures
Accélération mètre par seconde par seconde m. s-2 L. T-2 Accéléromètre
Masse volumique kilogramme par mètre cube ρ M. L-3
Énergie joule J M. L2. T-2 calorie Calorimètre
Force newton N M. L. T-2 Dynamomètre
Fréquence hertz Hz T-1 Fréquencemètre
Pression pascal Pa M. L-1. T-2 bar, torr Manomètre
Puissance watt W M. L2. T-3 Wattmètre
Superficie mètre carré m2 L2 are, hectare
Vitesse mètre par seconde m. s-1 L. T -1 kilomètre par heure Vélocimètre
Volume mètre cube m3 L3 litre

Grandeurs à dimension nulle et unités utilisées

Article détaillé : Grandeur sans dimension.

Les grandeurs se présentant comme un rapport de grandeurs de mêmes dimensions sont adimensionnelles au sens mathématique du terme (leur dimension est nulle) et sont par conséquent des scalaires. Leur unité est par conséquent (généralement) le nombre 1 et ne porte pas de nom, quoique certaines grandeurs peuvent s'exprimer dans des unités portant des noms spécifiques[1] (elles restent cependant adimensionnelles). Parmi ces dernières, on peut trouver la mesure d'angle plan ou solide (respectivement radian et stéradian), la mesure de rapport entre deux puissances (en décibel ou bel), entre autres.

Les échelles dans lesquelles ces mesures peuvent aussi être exprimées dans un dispositif non décimal (comme par exemple le système sexagésimal pour une mesure d'angle exprimée en degrés, qui est calquée sur la mesure du temps) ou dans une échelle non linéaire (par exemple logarithmique pour la mesure du rapport entre deux puissances).

Moyens de mesure

Grandeurs étalons

Longueur
Mètre pliant

Une «règle» est un outil utilisé en géométrie, dessin technique, et autres pour mesurer les distances et/ou tracer des lignes droites. Strictement parlant, un est l'instrument utilisé pour tracer les lignes et l'instrument calibré pour la détermination des mesures est nommé "règle". De nombreuses et différentes formes d'instruments flexibles sont utilisées pour déterminer les longueurs, comme le mètre de charpentier, le mètre-ruban utilisé par les tailleurs, le mètre rétractable utilisé par les hommes de chantier, pied à coulisse, etc.

Dans des contextes spécifiques, on utilise d'autres instruments de mesure de longueur. A l'échelle microscopique, la profilométrie laser sert à mesurer un profil avec une précision de quelques dizaines de nanomètres. À l'échelle "humaine", on peut employer des télémètres à ultrasons.

Temps

Les outils de mesure les plus communs pour la mesure du temps sont les horloges, pour des périodes inférieures au jour, et le calendrier pour des périodes supérieures. Les horloges se déclinent en genres plus ou moins exotiques allant des montres à l'Horloge de Long Now. Elles peuvent être pilotées par de nombreux mécanismes, comme le pendule par exemple. Il y a également une grande variété de calendriers, comme par exemple le calendrier lunaire et le calendrier solaire, quoique le plus utilisé soit le calendrier grégorien.

Le chronomètre (maritime) est un outil de mesure du temps assez précis pour être utilisé comme standard de temps portable, généralement utilisé pour la détermination des longitudes par le biais de la navigation astronomique.

Le type le plus précis d'instruments de mesure du temps est l'horloge atomique. Elle est à comparer avec des instruments plus anciens et plus rudimentaires, comme le sablier, le cadran solaire ou la clepsydre.

Masse

Une échelle de masse (et non de poids) est une référence pour la mesure de masse d'un corps. En dehors des outils numériques, le meilleur moyen de mesurer la masse est l'utilisation d'une balance. Dans sa forme conventionnelle, cette classe d'instruments de mesure compare l'échantillon, positionné dans un plateau (de mesure) et suspendu à une extrémité d'un fléau, l'autre soutenant un plateau (de référence) suspendu dans lequel est positionné une masse-étalon (ou une combinaison de masses-étalon). Pour procéder à la mesure de la masse de l'objet positionné dans le plateau, des masses (appelées fréquemment mais de manière inappropriée "poids") sont ajoutées dans le plateau de référence jusqu'à ce que le fléau soit tout autant en équilibre (mécanique) que envisageable. Une manière moins précise de procéder à une mesure de masse basée sur la déformation d'un ressort calibré qui se déforme linéairement selon la masse supportée.

La notion de masse peut aussi se référer à l'inertie d'un objet.

Température
Intensité électrique
Intensité lumineuse

Grandeurs dérivées

Force
Articles détaillés : Force (physique) et Dynamomètre.

Une force (dont l'intensité est exprimée fréquemment en newtons qui a la dimension masse*longueur/ (temps²) peut se mesurer avec différents instruments dont le plus simple est le dynamomètre, qui consiste en un ressort assorti de graduations. Certains des instruments de mesure de masse, ceux qui n'utilisent pas de masse de référence, mesurent en réalité une force, et convertissent en utilisant la valeur du champ de gravité terrestre. Ainsi, une balance à plateau serait aussi exacte sur la Lune que sur la Terre, tandis qu'une balance à ressort ou électronique se tromperait d'un facteur six.

Pression
Articles détaillés : Pression, Baromètre et Manomètre.

La pression se mesure avec un baromètre dans le cadre météorologique (variations modérées autour d'un bar) ou d'un manomètre pour les variations plus grandes. La pression correspond à une force par unité de surface. Il existe plusieurs types d'instruments :

Métrologie

Article détaillé : Métrologie.

La métrologie est l'étude de la mesure physique. Généralement, une métrique est une échelle de mesure définie en termes d'étalon (ou standard), c'est-à-dire en termes d'unité clairement définie. La quantification d'un phénomène par le processus de mesure est basée sur l'existence implicite ou explicite d'une métrique, qui est le standard de référence des mesures.

Choix des unités

Il est quelquefois plus judicieux de choisir une unité non-standard pour mesurer certaines grandeurs physique. Ce choix peut dépendre surtout de l'ordre de grandeur (il est plus aisé de compter les distances interstellaires en années-lumière, par exemple) ou de l'utilisation qu'on veut en faire. Donner deux grandeurs dans la même unité sert à comparer, et cela favorise l'interprétation des données, même si ça implique de donner un résultat dans une unité qui ne correspond pas à sa dimension.

Un exemple : la température se mesure d'ordinaire en kelvins ou en degrés Celsius. Mais supposons qu'on parle d'énergies de liaisons atomiques : il est plus utile de savoir que la température ambiante est de l'ordre de 40 meV (voir l'article électron-volt pour la manière de convertir les unités de température en unités d'énergie), pour ensuite la comparer (et c'est là l'important) avec l'énergie de liaison et ainsi déduire la stabilité de la molécule à température ambiante. Quoique l'électron-volt soit une unité d'énergie, dans ce contexte l'utiliser pour donner une température a du sens.

Mesure probabiliste

La mesure physique n'est pas limitée aux quantités et relations physiques, et peut être étendue à la quantification d'intensités de tous ordres. Dans les sciences sociales, mais aussi dans d'autres champs de recherche comme la santé, la biologie et les études de marché, des modèles probabilistes comme le modèle de Rasch pour les mesures sont appliqués avec, pour instruments de mesure, des questionnaires et enquêtes et qui permettent les comparaisons entre personnes.

Difficultés de mesure et calcul de l'incertitude

Difficultés de mesure

Pour certaines quantités physiques, l'obtention de mesures précises peut être (très) complexe. L'exactitude absolue ne peut être atteinte : des mesures répétées vont fluctuer à cause de différents facteurs comme la température, le temps, les champs électromagnétiques, et , bien entendu, de la méthode de mesure. Ainsi la vitesse du son conserve tout de même une variance puisque sa valeur fluctue selon les conditions dans lesquelles la mesure est faite. Des techniques statistiques sont appliquées sur des échantillons de mesure afin d'estimer cette vitesse. Dans les campagnes plus anciennes de mesures, la variance était plus importante, et comparer les résultats indiquait que la variance et le biais n'étaient pas pris correctement en compte. Une preuve par conséquent a été apportée quand pour des groupes de mesures variés ont été tracés avec la vitesse estimée et les barres d'erreurs, indiquant la variance attendue de la vitesse estimée selon la valeur actuelle, les barres d'erreurs de chaque expérience ne se superposent pas toutes. Ceci indique que certains groupes ont reconnu de manière incorrecte les sources d'erreurs potentielles et surestimé la précision de leurs méthodes.

Calcul d'incertitude

Article détaillé : Principe d'incertitude.

L'une des caractéristiques principales de la mesure physique est l'incertitude qu'elle possède intrinsèquement. Si elle est manifeste au niveau nanoscopique (grandeurs "quantiques") ou inférieures, en vertu du principe d'incertitude énoncé par Werner Heisenberg (concernant le couplage entre impulsion et position), elle existe à toute échelle. Généralement, et si on considère la grandeur mesurée comme précisément différentiable, l'incertitude sur la mesure peut être exprimée selon cette différentielle :

|\Delta f| \simeq |df|

Un exemple : mesure sur un gaz parfait

Prenons l'exemple d'un gaz reconnu comme parfait et obéissant par conséquent à la loi : PV = nRT où P sert à désigner la pression, V le volume occupé, n la quantité de matière, R est la constante des gaz parfaits et T la température du dispositif. Pour cet exemple, la grandeur mesurée choisie est la pression P (au moyen d'un manomètre) telle que :

P=\frac{nRT}{V}.

L'incertitude de mesure (ΔP) est donc :

|\Delta P| = \left \vert d\left(\frac{nRT}{V}\right)\right \vert = \left \vert R\left(\frac{T}{V}dn+\frac{n}{V}dT-\frac{nT}{Vˆ2}dV\right)\right \vert \le R\left(\frac{T}{V}|\Delta n|+\frac{n}{V}|\Delta T|+\frac{nT}{Vˆ2}|\Delta V| \right)

L'incertitude sur la pression est par conséquent fonction du triplet (n, V, T) et des erreurs de mesures de ces trois grandeurs.

Citations

«In physical science a first essential step in the direction of learning any subject is to find principles of numerical reckoning and practicable methods for measuring some quality connected with it. I often say that when you can measure what you are speaking about and express it in numbers you know something about it; but when you cannot measure it, when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meager and unsatisfactory kind : it may be the beginning of knowledge, but you have scarcely, in you thoughts, advanced to the stage of science, whatever the matter may be.»

— William Thomas Thomson, Lord Kelvin, Electrical Units of Measurement (1883), Popular Lectures and Addresses (1891), Vol. I, 80-I

«En sciences physiques, une première étape principale dans l'apprentissage d'un sujet est de trouver comment l'appréhender en chiffres, et des méthodes pour mesurer une qualité qui lui est liée. Je dis fréquemment que si vous pouvez mesurer ce dont vous parlez et l'exprimer en chiffres, vous en savez quelque chose; mais si vous ne pouvez le mesurer, le quantifier, votre connaissance est d'une bien pauvre et insatisfaisante espèce : ce peut être le début de la connaissance, mais vous n'avez pas encore, dans vos pensées, avancé jusqu'au stade de science, quel que soit le sujet.»

— Traduction

Notes et références

Annexes

Liens externes

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