1Spé – Chap 10 : Interactions fondamentales

 Notions de cours

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I La gravitation

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1° Expérimenter la force de gravitation

La force de Newton est une interaction de type attractive entre les corps qui ont une masse m.

Faites varier les paramètres dans l’animation ci-dessous pour voir évoluer la force d’attraction gravitationnelle entre les 2 objets.


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2° Loi de Newton

La loi de Newton est une relation vectorielle. Elle a donc une double signification : C’est une relation algébrique (=calculatoire) et c’est aussi une relation sur les sens des forces.

Dans l’écriture suivante, le sens de référence est défini par le vecteur uAB. Ce vecteur est unitaire (c.a.d que sa norme est = 1).

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3° Caractéristiques de la force newtonienne.

La force FG(B/A) possède 4 caractéristiques (comme toutes les forces)

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4° Champ gravitationnel associé à la force de gravitation de Newton.

Un champ est une modélisation qui permet de témoigner de l’existence d’un état énergétique d’une région de l’espace. Le champ permet de prévoir l’existence d’une force si on introduit une particule sensible à ce champ dans cette région de l’espace.

Si place un objet de masse m une la région où s’exerce un champ gravitationnel G, il va subir une force FG.

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5° Relation entre la force et le champ gravitationnel.

La relation devra être du type connu : P = m × g soit ici F = m × G.

On note mA la masse au centre de la figure précédente qui crée le champ gravitationnel GmA. Si on approche une masse mB, la force exercée sur B est dans le même sens. On pourra donc écrire :

On retiendra :

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6° Exercice de cours : Retrouver la valeur de la pesanteur locale terrestre (= Pesanteur) « g » à Paris.

Énoncé : Calculer l’intensité du champ local de gravitation locale g (ou pesanteur) exercée à Paris (ou pesanteur) par la Terre sur un objet de masse m.

Données : Masse de la Terre : MT = 5,972 × 1024 kg ; Rayon de la Terre à Paris : RT = 6372 km ; Constante de gravitation universelle : GN =6,67 × 10-11 N.m2.kg-2.

Donnée supplémentaire (qui s’avèrera non nécessaire) : Vous pouvez utiliser mobjet = 1 kg pour établir vos calculs intermédiaires.

Indication : On doit nécessairement trouver g = 9,81 N.kg-1

Retrouver la rédaction corrigé de exercice au bas de cette page : EXERCICES CORRIGÉS > Exercices d’application directe > Exercice de cours – « Retrouver la valeur de la pesanteur locale terrestre ».

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II L’électrostatique

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1° Expérimenter la loi de Coulomb

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La force de Coulomb est une interaction entre corps qui portent des charges électriques (ou électrostatiques).

On peut résumer la situation en la ramenant à 2 cas :

  • Cas A : Les charges sont de même signe : La force est répulsive
  • Cas B : Les charges sont de signes opposés : La force est attractive.

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2° La formule de la loi de Coulomb

Faites varier les paramètres dans l’animation ci-dessous pour voir évoluer la valeur de la force d’attraction gravitationnelle.

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Sans tenir compte des signes, on trouvera une relation algébrique qui peut s’écrire sous la forme suivante :

On remarquera que l’utilisation des valeurs absolues simplifie le problème car le résultat sera ainsi toujours positif, ce qui convient pour une intensité de force (en N). (Voir la remarque sur la valeur absolue ci-dessous).

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Remarque sur la valeur absolue

La valeur absolue d’un nombre est la valeur sans le signe  » –  » s’il existe.

  • Exemple : |3 × (-2)| = 6
  • Autre exemple : |-3| = 3
  • Autre exemple : |3| = 3

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La norme d’un vecteur :

Pour un vecteur F, sa norme est notée ||F|| ou plus simplement F. Elle vaudra par exemple 5 N mais jamais – 5 N.

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3° Loi vectorielle de Coulomb

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Comme la force de Newton, c’est aussi une relation vectorielle qui la définit. Elle correspond donc à une relation algébrique (calcul) et une relation entre les sens des forces.

Dans l’écriture suivante, le sens de référence est défini par le vecteur uAB. Ce vecteur est unitaire.

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4° Les 4 caractéristiques de FE :

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5° Champ électrique créé par une charge positive

Pour déterminer le sens d’orientation de ce champ, il suffit de connaitre le sens de la force qu’il exercerait sur une charge positive (comme le champ gravitationnel lorsqu’il agit sur une masse positive).

D’après nos observation, il s’agit d’une force de répulsion (Voir TP).

On obtient donc un tracé du type suivant :

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On pourra remarquer que l’action du champ sur une charge négative produit une force dans le sens opposé à ce champ.

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6° Champ électrique créé par une charge négative

Pour déterminer le sens d’orientation de ce champ, il suffit de connaitre le sens de la force qu’il exercerait sur une charge positive.

Il s’agit dans ce cas d’une force d’attraction (Voir TP).

On obtient donc un tracé du type suivant :

On pourra remarquer que l’action du champ sur une charge négative produit une force dans le sens opposé à ce champ.

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7° Relation entre la force et le champ électrostatique.

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Pour la gravitation, le champ gravitationnel G qui agit sur masse m provoque une force FG suivant la relation : FG = m x G

Par analogie ici, le champ électrostatique E qui agit sur une charge q, produit une force FE qui devra donc s’écrire : FE = q × E

On note qA la charge au centre de la figure précédente qui créée le champ EqA. Si on approche une charge qB positive, la force et le champ sont toujours dans le même sens (Voir TP) :

Remarque : Si la charge qB est négative le champ et la force sont bien en sens inverse.

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On retiendra :

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8° Exemple du tracé du champ électrique E entre les plaques métalliques chargées et parallèles.

On remarque que les lignes de champ seront parallèles. La norme du champ ||E|| = E est constante. On aura une relation entre la valeur du champ, la tension UAB entre les plaques et leur écartement d :

UAB = E × d

Remarque : Cette relation est simplement algébrique (et non vectorielle.)

Ce dispositif constitue un condensateur. C’est sa version miniature qui est utilisée en électronique.

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 : Illustrations du cours (à connaitre)

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1° L’expérience de Thalès

Visionnez cette expérience et remarquez qu’elle se passe en 2 temps : Une première phase (rapide) avant contact, suivait d’une deuxième phase après contact.

Une interprétation pourra en être faites lorsque vous aurez visionné l’animation du 3°

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2° La danse des feuilles d’or

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Visionner la vidéo ci-dessous illustrant la répulsion électrostatique exercée sur des feuilles d’or.

Pour info :  L’or permet de faire des feuilles très fines et donc très légères.

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Une interprétation pourra en être faite lorsque vous aurez visionner l’animation suivante.

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3° Attraction-répulsion des charges

Cliquez sur l’image si vous désirez accéder à l’animation correspondante.

Il vous faudra pour cela utiliser un navigateur que vous saurez débloquer à la demande (Voir tube-a-essai.fr > La réserve > Débloquer mon navigateur)

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4° Transfert de charges puis électrisation par influence

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Cliquez sur l’image si vous désirez accéder à l’animation correspondante.

Il vous faudra pour cela utiliser un navigateur que vous saurez débloquer à la demande (Voir tube-a-essai.fr > La réserve > Débloquer mon navigateur)

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5° Le fonctionnement d’un électroscope

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5°1 L’électroscope à 2 tiges

Cliquez sur l’image si vous désirez accéder à l’animation correspondante.

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5.2° L’électroscope à bras pivotant

Cliquez sur l’image si vous désirez accéder à l’animation correspondante.

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 Exercices possibles

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Données : Sauf indication contraire, pour tous les exercices, on donne G = 6,67 × 10-11 (SI) ; k = 9 × 109 (SI) et g = 9,81 (SI). La charge élémentaire « e » vaut : e = 1,6 × 10-19 C. Les masses des particules élémentaires sont aussi données (voir « Données pour tous les exercices p 210″)

Remarque : La conception d’un schéma est souvent profitable.

Les exercices avec un « Hashtag » (#) donne lieu à un commentaire ci-après à ne pas négliger. Les exercices avec étoile (*image) sont accompagnés d’un fichier image imprimable à télécharger, accessible en cliquant sur le numéro de l’exercice.

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Exercices d’application directe : Exercice de cours – « Retrouver la valeur de la pesanteur locale terrestre».(voir &I.6°) – ex n° 17 et n° 19(#) – p 210. Entrainez-vous, leurs corrigés sont déjà accessibles dans la partie « Corrigés des exercices » au bas de cette page.

Exercices d’approfondissement p 210 et suivantes : n° 18(#) – 38 – 41(*lien pour vidéo accessible par clic) – 44

Exercices identiques aux ex résolus p 212 : n° 34 – 36

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————— Indications et commentaires ——-

(#) Indication pour Ex 18 : Pour des soucis de commodité de correction, veuillez inverser le signe des charges dans le texte : « …, la charge portée par le bâton est négative ». Remarque : Une vidéo disponible en lien (ou revoir dans l’annexe ci-dessus) : « Lien pour vidéo ex 18 »

(#) Indication pour Ex 19 : Données : M(Mercure) = 3,30.1023 kg et M(Soleil) = 1,99.1030 kg + Question supplémentaire : 2° En déduire la distance entre Mercure et le Soleil.

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 Bilan

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Cliquer sur le lien suivant pour accéder à L’essentiel du chapitre (à compléter).

Cliquer sur le lien suivant pour accéder à une Synthèse des activités du chapitre.

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 Corrigés des exercices

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Cliquer sur les liens suivants pour accéder à leurs corrigés.

Corrigés des exercices d’application directes :

Lien pour accéder à la rédaction de l’exercice de cours : « Retrouver la valeur de la pesanteur locale terrestre».

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 17 »

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 19(#) »

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Indication : Les liens suivants ne sont actifs que lorsque le chapitre ou une partie de chapitre est terminé.

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