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OBJECTIFS
Interpréter des expériences mettant en jeu l’interaction électrostatique
Utiliser la loi de Coulomb
Comprendre la notion de champ
Citer les analogies entre la loi de Coulomb et la loi d’interaction gravitationnelle
Utiliser les expressions vectorielles de la force de gravitation et du champ de gravitation
Utiliser les expressions vectorielles de la force électrostatique et du champ électrostatique.
Caractériser localement une ligne de champ électrostatique ou de champ de gravitation
Illustrer l’interaction électrostatique. Cartographier un champ électrostatique
: Acquis : En cours d’acquisition : non acquis
RESSOURCES (Les ressources sont disponibles sur le site internet www.phymie.jimdo.com)
Vidéo 1 : voyage au cœur de la matière
Vidéo 2 : Notion de champ
TP9 – Phénomène d’électrisation
TP10 – Champs
TRAVAIL A FAIRE
Consulter les ressources
Compléter la trace écrite (Cours chapitre 5)
S’exercer sur les exercices d'automatisation et d'analyse (pour les plus avancés : parcours autonome)
Faire un résumé du chapitre sous forme de carte mentale
Réaliser le projet demandé
Apprendre le cours régulièrement
Faire des exercices avant le DS
PROJET
Prix Nobel – Expérience de Millikan
MOUVEMENT ET INTERACTIONS CHAPITRE 5
INTERACTIONS FONDAMENTALES – CHAMPS
PLAN DE TRAVAIL
EXCERCER SES COMPETENCES
Correction des exercices sur Pronote
Parcours commun Parcours autonome
1-Exercices
d'automatisation
Ex1
Ex2
Ex3
Ex4
Ex5
Ex6
Ex7
Ex8
Ex9
Ex10
Ex11
Ex12
Ex13
2-Exercices d'analyse
Ex14
Ex15
Ex16
Ex17
Ex18
Ex19
Ex20
Ex21
3- Exercices d’approfondissement
ou de révision
Ex22
Ex23
Ex24
Ex25
Ex26
CHRONOLOGIE
1
I. LA MATIERE A DIFFERENTES ECHELLES
Les objets présents dans l’Univers ont des dimensions très différentes. Leurs ordres de grandeurs permettent de les
représenter facilement sur un même axe.
II. LES CONSTITUANTS DE LA MATIERE
1. Particules élémentaires
Remarque : Les neutrons et protons sont faits de particules appelées « quarks »
Structure Système
solaire Homme
Rayon de
l’atome Univers (connu) Molécule Notre galaxie Nucléon Terre
Taille
12
milliards
de km
1,8 m 100 pm 260 000 milliards
de milliards de km 1 nm
946 millions
de milliards
de km
2,4 fm 12 800 km
Ordre de
grandeur (m)
MOUVEMENT ET INTERACTIONS CHAPITRE 5
Cours
INTERACTIONS FONDAMENTALES - CHAMPS
La matière est constituée d’atomes, d'ions ou de molécules. Ces entités sont-elles mêmes composées de plus
petites particules indivisibles, dites particules élémentaires : protons, neutrons et électrons.
Particules Localisation dans l’atome Charge électrique Ordre de grandeur de la masse
Proton Dans le noyau q =
Neutron Dans le noyau
Electron Autour du noyau q =
2
Application : Calculer la charge électrique du noyau d’un atome d’aluminium
2. Les électrons : Electrisation
3. Représentation symbolique d’un noyau
Rappels :
- La masse d’un noyau de représentation symbolique est :
(la masse de l'atome est : matome ≈ )
- La charge électrique d’un noyau de représentation symbolique est :
- Des atomes isotopes ont le même mais des nombres de différents
La charge électrique e est appelée « charge élémentaire », car c'est la plus petite charge électrique que l'on
puisse isoler (e = Coulombs). La charge électrique de n'importe quel corps chargé est un multiple
entier de la charge élémentaire e.
Le noyau d'un élément X, de symbole , est constitué de nucléons dont protons et neutrons.
Un atome est une entité électriquement : son nuage ou cortège électronique comprend donc électrons.
Les électrons sont les seules particules élémentaires susceptibles d’être arrachées, transférées à la matière ou
déplacées. Un corps peut être électrisé par
3
III. LES INTERACTIONS FONDAMENTALES
Dans la nature, les objets ont une action les uns sur les autres : ils interagissent.
Nous pouvons prendre l’image d’une partie de ping-pong où les joueurs restent à une même distance tant qu’ils
échangent la balle. Les particules interagissent de la même façon, en s’échangeant des particules : photons, gluons…
Tout dans l’Univers est gouverné par 4 interactions fondamentales (gravitationnelle, électromagnétique, forte et
faible)
1. De l’interaction à la force
Soit deux objets A et B qui agissent de manière réciproque l’un sur
l’autre : A agit sur B et B agit sur A, on dit alors que ces objets sont en
interaction.
Chaque action est modélisée par une force, elle-même représentée par
un vecteur portant quatre caractéristiques :
Avec vecteur unitaire orienté de A vers B
2. L’interaction gravitationnelle – Loi de la gravitation Universelle
Caractéristiques de l’interaction gravitationnelle :
Toujours
S’exerce entre tous les objets qui ont une (plus il y a de masse, plus la force est importante)
Responsable de la rotation de la Lune autour de la Terre, de la naissance des étoiles et des planètes …
La plus des interactions fondamentales
Portée (mais la valeur est d’autant plus que les objets sont éloignés)
Cette force d’interaction attractive fut établie par l’anglais Isaac Newton en 1685
Deux corps A et B de masses mA et mB, séparées par une distance d, s’attirent du fait de l’interaction
gravitationnelle. Cette interaction est modélisée par des forces attractives 𝐹𝑔 𝐴→𝐵 et 𝐹𝑔 𝐵→𝐴 ayant :
4
Application : calculer l’interaction gravitationnelle exercée par la Terre sur la Lune. Données : mT = 5,97.1024
kg ; mL = 7,53.10
22 kg ; d = 384 000 km
3. L’interaction électrostatique – Loi de Coulomb
Caractéristiques de l’interaction électrostatique :
Agit entre tous les objets qui possèdent une
De nature électrique (charges au repos) et magnétique (charges en mouvement)
Répulsive si les objets ont une charge de même (exemple : deux électrons), attractive si les objets ont
une charge signe (exemple : un proton et un électron)
Responsable de la des atomes et des molécules et de la plupart des forces (action d’un support,
frottement…)
infinie (mais en pratique, les charges positives et négatives tendent à se neutraliser)
L'interaction électrique est décrite par la loi de Coulomb (établie par le français Charles Coulomb en 1785)
Deux corps A et B de charges qA et qB, séparées par une distance d, s’attirent ou se repoussent du fait de
l’interaction électromagnétique. Cette interaction est modélisée par des forces 𝐹é𝑙 𝐴→𝐵 et 𝐹é𝑙 𝐵→𝐴 ayant :
5
Application : Quelles sont les forces qui s'exercent à l'intérieur d'un atome d'hydrogène ? (dp-e = 5,3.10-11
m)
4. L’interaction forte et faible
Dans un noyau, la force électrostatique est prépondérante entre les protons sur la force gravitationnelle. Comme
elle est répulsive entre les protons, ceux-ci devraient s’éloigner. Or le noyau est compact. La cohésion du noyau
de l’atome est forcément maintenue grâce à une autre force : l’interaction forte.
Remarque : Plus le noyau est gros (bcp de protons), plus cette interaction forte doit être intense pour contrer les forces
électromagnétiques. Sinon, le noyau n'est pas stable et se désintègre : c'est la radioactivité.
L’interaction faible a une très faible portée (10-18
m) et une intensité très faible (105 fois plus faible que
l'interaction forte). Elle est responsable de la radioactivité et de la fusion nucléaire (comme au centre du Soleil)
5. Domaines de prédominance des interactions
En fonction de ses caractéristiques, chaque interaction prédomine à une certaine échelle de l’Univers :
L’interaction gravitationnelle prédomine à l’échelle , car elle est de portée infinie et que la
matière est globalement électriquement .
L’interaction électromagnétique prédomine à l’échelle et à l’échelle (les masses étant
trop faibles pour que l’interaction gravitationnelle ait un rôle)
Remarque : L’interaction forte prédomine à l’échelle
du noyau : elle est plus intense que les autres
interactions, mais sa très faible portée limite son
action à cette seule échelle
6. Comparaison des interactions gravitationnelle et électrostatique
ANALOGIES DIFFERENCES
Interaction gravitationnelle Interaction électrostatique
6
IV. NOTION DE CHAMP
La notion de champ permet de comprendre et représenter plus facilement l’effet d’une source (électrique, magnétique,
gravitationnelle, …)
Le concept de champ consiste à supposer que, pour chaque interaction, une particule M produit autour d'elle un
champ correspondant qui est une manifestation d'une interaction possible. La présence du champ est mise en évidence
lorsqu'on amène une particule M’ au voisinage de M et que l'on observe les conséquences de la force qu'exerce M sur M’. D'un certain point de vue, on peut dire qu'on regarde un point matériel M en tant qu'émetteur de l'interaction…
1. Qu’est-ce qu’un champ en physique ?
La notion de champ est utilisée en physique pour traduire l’influence que peut exercer, à distance, un objet sur son
environnement. Un champ caractérise une propriété particulière de l’objet. Réciproquement, les autres objets présents
dans l’environnement ne sont sensibles au champ que s’ils présentent eux-mêmes cette propriété. Par exemple, notre
planète la Terre, génère un champ de pesanteur. Ce champ est généré par la masse de la planète et réciproquement, il
exerce son effet sur les objets massifs.
2. Champ scalaire et champ vectoriel
3. Cartographie d'un champ
Pour un champ scalaire, les lignes de champ sont obtenues en reliant tous les points
où la grandeur physique a la même . On parle de lignes de niveau
Ex : les lignes isobares des cartes météorologiques représentent des lignes d'égale
pression atmosphérique, profil topologique d'une carte IGN
Pour un champ vectoriel, les lignes de champ sont tangentes aux vecteurs champs en
chacun de leur point et sont orientées dans le même sens que le vecteur champ.
Ex : les lignes de champ de vitesse de l’air autour d’une aile d’avion
Remarque : Par définition, des lignes de champs ne peuvent pas se couper.
Lorsque la grandeur physique est complètement définie par sa valeur, on dit que c’est une grandeur scalaire.
Le champ représentant cette grandeur est alors appelé . Ex :
Lorsque la grandeur physique est complètement définie par un vecteur (donc par sa valeur, son sens et sa
direction), on dit que c’est un . Ex :
Un champ est dit uniforme si la grandeur qui le caractérise est en tout point de l’espace (même
valeur, même direction, même sens). Si un champ vectoriel est uniforme, les lignes de champ sont
entre elles.
Cartographier un champ consiste à donner une représentation de ce champ en plusieurs points. Pour cartographier
un champ dans une région de l'espace, on utilise des
Un champ est un outil physique associant à chaque point de l’espace une
7
V. CHAMP ELECTROSTATIQUE
Exemples de champ électrostatique :
Champ créé par deux charges ponctuelles
Champ crée par un condensateur plan Autour d’une pointe
Tout objet portant une charge électrique qA créé, en un point situé à une distance d de lui, un champ
électrostatique �� d'intensité
E en V.m-1
ou en N.C-1
et dirigé en chaque point qui l'entoure vers son centre si q est négative ou à l'opposé
de son centre si q est positive.
k = 9,0.109 SI
est la constante électrostatique ou constante de Coulomb
Tout objet portant une charge qB plongé dans
un champ électrostatique �� est soumis à une
force exercée par
l'objet qui crée le champ électrostatique.
8
VI. CHAMP GRAVITATIONNEL
Exemple : Champ gravitationnel créé par la Terre :
- à sa surface
- à l'altitude h = 2000 km :
Cas du champ de pesanteur
Remarques :
Si l'on néglige l'effet de la rotation de la Terre sur elle-même, c'est à dire si l'on admet que les verticales passent
toutes par le centre de la Terre, le champ de pesanteur s'identifie au champ gravitationnel créé par la
Terre et le poids d'un objet peut être confondu avec la force
d'interaction gravitationnelle que la Terre Exerce sur lui :
et
Dans un domaine restreint au voisinage de la Terre, le champ de
pesanteur (ou gravitationnel) peut être considéré comme uniforme :
même valeur en tout point, même direction (verticale) et même sens
(vers le bas). On parle de champ de pesanteur
Tout objet de masse mA créé en un point situé à une distance d de son centre, un champ gravitationnel 𝑮𝒈
d'intensité :
𝐺𝑔 en , et dirigé en chaque point qui l'entoure vers son
G = 6,67×10-11
SI est la constante de gravitation universelle
Tout objet de masse mB, plongé dans un champ
gravitationnel 𝑮𝒈 est soumis à une force
exercée par l'objet qui crée le champ
de gravitation.
Sur Terre et dans l'espace environnant, un objet de masse m subit une attraction à distance, appelée poids,
d'intensité 𝑃 (où g est l'intensité de la pesanteur terrestre) dirigé vers le sol. Cette attraction est due au
champ de pesanteur terrestre 𝑔 , dirigé vers , selon la du lieu.
Chacun a déjà fait l’expérience désagréable des décharges électriques par temps sec en hiver en marchant sur de la
moquette ou en enlevant un pull-over. On parle d’électricité statique.
Pourquoi nos cheveux se dressent-ils sur la tête lorsqu’on enlève un pull en laine ?
I. COMMENT ELECTRISER UN CORPS ?
Electrisation par frottement
Les corps qui nous entourent sont électriquement neutres mais ils sont composés d’atomes dont les électrons,
situés dans le nuage électronique sont accessibles. C’est pourquoi il est possible de réaliser un transfert
d’électrons en frottant certains corps et ainsi de les électriser (leur conférer une charge électrique globale) pour
une courte durée. Lorsqu’on frotte deux corps l’un contre l’autre :
- Celui qui arrache des électrons à l’autre corps se charge négativement car il possède maintenant un excès de
charges négatives
- Celui qui perd des électrons se charge positivement car il possède maintenant un défaut de charges négatives
Exemple :
Lorsqu’on frotte de l’ambre avec de la laine, l’ambre arrache des
électrons à la laine. Alors :
- L’ambre se charge négativement
- La laine se charge positivement
Le sens du transfert des électrons dépend de la nature des deux
corps
Mise en évidence de la charge électrique
La notion de charge électrique a été mise en évidence durant l’Antiquité par les Grecs qui
avaient constaté qu’en frottant des boutons en ambre avec de la laine ou de la fourrure ils
pouvaient attirer des objets légers et même produire des étincelles. C’est pourquoi le mot
« électricité » dérive du mot grec désignant l’ambre
MOUVEMENT ET INTERACTIONS CHAPITRE 5
TP9 : PHENOMENE D’ELECTRISATION
Table triboélectrique
Cette table permet de déterminer le matériau qui reçoit les électrons
lors d’une électrisation par frottement entre eux.
Dans un isolant comme le verre, le déplacement des électrons est
peu important ; limité à un diamètre atomique.
Dans un conducteur comme l’aluminium, une partie des électrons
peut se déplacer librement entre les atomes
Doc.1
Doc.2
Doc.3
Q1 : Électrisation par frottement
Prévoir les charges de chaque matériau dans les deux situations suivantes :
- On frotte avec de la laine une paille (pvc)
- On frotte avec de la laine une baguette de verre
MANIPULATION 1 : Électrisation par influence
Frotter une baguette en PVC ou une paille avec de la laine
Approcher la baguette du pendule sans le toucher.
Noter vos observations, faire un schéma de l'expérience et interpréter les résultats obtenus
MANIPULATION 2 : Électrisation par contact
Recommencer l'expérience précédente avec la baguette en PVC (ou la paille) et l'approcher suffisamment du
pendule pour qu'il y ait un contact bref.
Après contact, éloigner la baguette puis l'approcher de nouveau du pendule.
Noter vos observations, faire un schéma de l'expérience et interpréter les résultats obtenus
II. LES DEUX SORTES D’ELECTRICITE
MANIPULATION 3
Sur deux rails isolants (deux pailles par exemple) placer une paille A
préalablement frottée avec un tissu en coton.
Frotter avec le même tissu une seconde paille et placer cette seconde
paille B sur les rails.
En la poussant avec l’ongle de manière à la maintenir parallèle à la première chercher
à la rapprocher et observer
Qu’observe-t-on ?
MANIPULATION 4
Replacer la première paille après l’avoir rechargée par frottement
avec le tissu précédent
Recommencer la même expérience qu’en manipulation 3 mais
avec une tige de verre préalablement chargée par frottement avec un tissu en laine.
Approcher lentement
Qu’observe-t-on ?
La charge électrique portée par la tige de verre diffère-t-elle de celle portée par la paille ?
MANIPULATION 5
Reprendre la manipulation 3 avec deux tiges de verre frottées de la même manière.
Les deux tiges s’attirent-elles ou se repoussent-elles ?
Q2 : Interprétation
Quelles sont les deux « sortes » d’électricité ?
Dans quel cas y a-t-il attraction ? Répulsion ?
Quels sont les trois façons d’électriser la matière ?
Répondre à la question du TP
I. CARTOGRAPHIER UN CHAMP DE PRESSION
Lancer l’animation dans le dossier « jaugey/1ere/tp10_cartographier_champs ». Remplir le récipient d’eau comme ci-
dessous et ajouter la règle. Ne rien changer autrement.
Grandeur mesurée : la pression d’un liquide est une grandeur notée P, dont l’unité est le pascal (Pa) ou
l’atmosphère (atm). La pression se mesure avec un manomètre.
Portion de l’espace du champ : récipient de 3 m de hauteur sur 4 m de large
A l’aide du manomètre de la simulation, réaliser une cartographie du champ de pression du récipient sur le schéma ci-
dessous, vous choisirez la représentation de votre choix (cartographie par code couleur, ou cartographie par ligne de
niveau…) sans oublier de légender votre carte de champ.
MOUVEMENT ET INTERACTIONS CHAPITRE 5
TP10 : CARTOGRAPHIER DES CHAMPS
II. CARTOGRAPHIER UN CHAMP ELECTRIQUE
Quel est votre réflexe lorsque voulant téléphoner vous n’avez pas de réseau ?
D’après ce réflexe, déduire si le champ électrique est uniforme ou non uniforme autour de vous ?
Sachant que l’échelle du dessin ci-dessus est 1cm 25 cm, préciser les distances :
Antenne - Point A :
Antenne - Point B :
Antenne - Point C :
A l’aide du graphique, déterminer les valeurs du champ électrique aux point A, B et C (préciser l’unité)
E(A) =
E(B) =
E(C) =
Sachant que le vecteur champ est dirigé vers la source (borne wifi), représenter (échelle 1cm 2,5 V.m-1
) les
vecteurs champ électrique aux points A, B et C, noté
Tracer les lignes de champ en rouge dans la pièce passant par les points A, B et C
A l’aide d’un compas, tracer la ligne de niveau en bleue correspondant à la valeur de E au point B. Tracer d’autres
vecteurs champ sur cette ligne.
III. CARTOGRAPHIER LE CHAMP GRAVITATIONNEL DE LA TERRE
Données : La Terre, en raison de sa masse, génère un champ de gravitation noté GTerre.
, ,
Donner l’intensité du champ gravitationnel créé par la Terre noté GTerre en fonction de l’atitude z
Donner l’intensité de la force subit par un objet de masse m, placé dans ce champ
Calculer GTerre à l’altitude z = 0 c’est-à-dire au niveau du sol
Calculer GTerre aux altitudes z = 2000, 4000 et 6000km
Le champ de gravitation est-il une grandeur scalaire ou vectorielle. Justifier.
La valeur du champ de gravitation de la Terre varie-elle en fonction de la distance par rapport au centre de la
Terre. Justifier.
Vous allez devoir cartographier ce champ de gravitation. Pour cela :
Placer le centre de la Terre sur une page
Représenter la Terre par une ½ sphère en respectant cette échelle : 1 cm pour 1000 km
Tracer les lignes de niveaux à 2000km 4000km et 6000 km
Choisir 2 points par ligne de niveau et tracer les vecteurs champs de gravitation en respectant l’échelle 1
cm pour 3 N.kg-1
Tracer 2 lignes de champ au choix
Le champ de gravitation terrestre est-il uniforme à l’altitude z = 2000km ? Justifier.
Dans un exercice de Terminales de mécanique, on étudie des mouvements d’objet sur Terre. Ces objets sont donc dans
le champ de gravitation de la Terre.
Pourquoi peut-on considérer que le champ de gravitation est uniforme dans les
situations étudiées sur Terre :
a) car le champ de gravitation de la Terre est toujours uniforme
b) car dans la salle de physique le champ de gravitation a toujours la même
valeur
c) car dans la salle de physique la direction et le sens du vecteur champ de
gravitation ne varient quasiment pas
O
Dans tous les exercices, on donnera la formule littérale puis on fera l’application numérique
Dans tous les exercices, on donnera le nombre correct de chiffres significatifs
Données :
EXERCICES D’AUTOMATISATION
Ex 1 – Cinq minutes chrono !!
Ex 2 – Déterminer la composition d’un atome
Le silicium est l’élément utilisé dans les panneaux photovoltaïques pour convertir la lumière en électricité. La charge
q du noyau de l’atome de silicium, de représentation symbolique , a pour valeur .
1. Combien de protons possède ce noyau ?
2. En déduire le nombre de neutron de ce noyau
3. Quel est le nombre d’électron de cet atome ?
Ex 3 – Autour du mercure
A la température de 20°C le mercure de symbole Hg est un métal gris et liquide. Le noyau d’un atome de mercure est
caractérisé par les valeurs Z=80 et A=200.
1. Comment appelle-t-on Z et A ? Que représentent-ils ?
2. Donner la représentation symbolique de cet atome et indiquer sa composition
3. Calculer la charge électrique Qnoyau de son noyau de cet atome
4. Calculer la masse m de cet atome
MOUVEMENT ET INTERACTIONS CHAPITRE 5
EXERCICES
Ex 4 – Exprimer la force de gravitation
Jupiter est la plus grosse et la plus massive des planètes du système solaire. Sa masse est .
Exprimer la force exercée par le Soleil sur Jupiter puis calculer sa valeur
Données : ;
Ex 5 – Electriser la matière
On électrise par frottements deux tiges, l’une en verre et l’autre en
polystyrène ? On approche ces tiges d’une sphère métallique chargée
négativement et suspendue à un fil
1. Déterminer la charge de l’extrémité de chaque tige
2. Expliquer en considérant les déplacements de charges
opérés, comment chaque tige a été électrisée
Ex 6 – Représenter une force de gravitation
La planète Mars possède une orbite autour du Soleil dont le rayon moyen est . Elle subit de la
part du Soleil une force de gravitation dont la valeur est
Représenter sur un schéma les centres des deux astres ainsi que la force exercée par Mars sur le Soleil.
Echelle :
Ex 7 – Etudier une interaction
Le schéma suivant représente deux particules de charges et placées à une distance d l’une de l’autre
1. Quelle interaction existe-t-il entre les deux particules représentées sur ce schéma ?
2. Calculer la valeur de la force que chaque particule exerce sur l’autre
Ex 8 – Calculer une charge
Les forces d’interaction électrostatique entre les particules schématisées ci-dessous ont pour valeur :
1. Quel est le signe de la charge placée en B ?
2. Calculer cette charge
Ex 9 – Comparer des interactions
La Lune et la Terre sont en interaction gravitationnelle. Les forces de gravitation modélisant cette interaction valent
Dans la fluorine solide ionique de formule chimique CaF2 les cation calcium et les anions fluorure sont en interaction
électrostatique. La force électrostatique modélisant une de ces interactions vaut
Sous forme d’un tableau présenter les analogies et les différences entre les deux interactions décrites
Ex 10 – Etudier un champ
Le schéma ci-contre représente le champ électrostatique en quelques points d’un
condensateur cylindrique
1. Quel est le signe de la charge portée par l’armature centrale de ce condensateur ?
2. Représenter le vecteur champ au point M
Ex 11 – Caractériser un champ de gravitation
Neptune est en interaction gravitationnelle avec le Soleil. Donner les caractéristiques du champ de gravitation du
Soleil au niveau de Neptune
Données : ;
Ex 12 – Connaitre le champ de gravitation
La lune est en interaction gravitationnelle avec la Terre. On note d la distance entre les centres des deux astres
1. Exprimer la force exercée par la Terre sur la Lune en fonction de sa masse mL et du champ de gravitation terrestre
Gterre
2. Déduire de l’expression précédente l’unité de la valeur du champ de gravitation terrestre
3. Schématiser sans contrainte d’échelle la force de gravitation exercée par la Terre sur la Lune et le champ de
gravitation terrestre existant au même point
Ex 13 – Champ gravitationnel du Soleil
1. Représenter les lignes de champ du champ gravitationnel du Soleil puis le vecteur sur la Terre
2. Donner l’expression de à la distance de la Terre
3. Calculer à la distance de la Terre puis à la distance de Jupiter
4. Comparer ces deux valeurs
5. Déterminer la distance à laquelle la Terre doit s’éloigner du Soleil pour que le champ gravitationnel soit trois
millions de fois moins intense.
EXERCICES D’ANALYSE
Ex 14 – Soulever une bille ?
Une bille métallique de 40g portant une charge électrique égale à -15e est posée sur une table. On approche 10cm au-
dessus d’elle, une seconde bille métallique portant une charge électrique égale à +10e. L’interaction gravitationnelle
entre les billes est négligée. Les charges électriques des deux bielles sont-elles suffisantes pour que la seconde bille
soulève la première ?
1. Sans soucis d’échelle, schématiser la situation et les forces subies par la bille supposée en lévitation au-dessus
de la table
2. Calculer l’intensité de la force électrostatique subie par la bille
3. Calculer l’intensité de la force gravitationnelle exercée par la Terre sur la bille
4. L’hypothèse de la question 1 est-elle justifiée ?
5. Reprendre les trois dernières questions avec de billes de charges un million de fois supérieures
Ex 15 – Atome d’hélium
Un atome d’hélium 4 est noté
1. Donner la composition de cet atome
Un atome d’hélium possède un rayon approximatif de
2. En considérant le noyau comme ponctuel, calculer l’intensité de la force électrostatique exercée par un proton du
noyau sur un des électrons du cortège électronique
3. Sans soucis d’échelle, représenter cette force sur un schéma
4. Calculer le rapport de ces deux intensités. Commenter
Ex 16 – Un ion cuivre II
1. Donner la composition du noyau et du nuage électronique d’un ion (élément cuivre )
2. Calculer la charge électrique portée par cet ion
3. Représenter les lignes du champ électrostatique créé par cet ion, modélisé par un point
4. Calculer l’intensité du champ électrostatique que cet ion engendre à 1,0 cm de lui
5. Calculer l’intensité du champ gravitationnel que cet ion engendre à 1,0 cm de lui
6. Comparer ces deux valeurs
Ex 17 – Cartographie d’un champ électrostatique
Soit un objet portant une charge électrique égale à +45C
1. A l’aide du déplacement d’une charge d’essai à des endroits pertinents (tous les 2m par exemple),
cartographier le champ électrostatique créé par l’objet précédent dans un périmètre de 10m. Représenter les
lignes de champ
2. Même question pour le champ électrostatique créé par une charge électrique égale à -45C
Ex 18 – Cohésion d’un cristal de sel
Le sel de cuisine est appelé en chimie solide ionique de chlorure de sodium.
On parle de solide ionique car les liaisons mises en jeu dont des liaisons
ioniques et non covalentes. On peut donc considérer que le chlore et le
sodium sont présents dans ce solide sous forme ionique, soit et
Une maille de ce cristal est représentée ci-contre, les ions chlorure en vert
et les ions sodium en bleu.
On remarque une alternance des ions sodium et chlorure : les voisins
immédiats d’un ion sont de charge opposée.
1. A l’aide de cette dernière phrase expliquer la cohésion d’un cristal ionique, engendré par les forces
électrostatiques mises en jeu
On s’intéresse maintenant aux forces électrostatiques subies par un ion sodium
2. Identifier le nombre d’ions chlorure les plus proches d’un ion sodium
3. Identifier le nombre d’ions sodium les plus proches d’un ion sodium
4. A l’aide la maille représentée, calculer la distance entre les centres d’un ion sodium et d’un ion chlorure
5. Calculer la valeur de la force électrostatique exercée par un ion chlorure sur un ion sodium
6. En appliquant le théorème de Pythagore déterminer la distance séparant deux ions sodium en fonction de
la distance a
7. Calculer la valeur de la force exercée par un ion sodium sur un autre ion sodium
8. Les résultats des questions 5 et 7 confirment-ils ma cohésion du cristal ?
Données : ( ) ; ( ) ;
Ex 19 – La lune s’éloigne
La lune s’éloigne chaque année de 3,8 cm de la Terre.
1. Cet éloignement influence-t-il la valeur de la force gravitationnelle qui s’exerce entre les deux astres ?
2. De quelle distance la Lune se sera-t-elle éloignée de la Terre dans 10 000 ans ?
3. Quelle sera alors la valeur de la force gravitationnelle entre les deux astres ?
Données :
Ex 20 – Champ de pesanteur en haut de l’Everest
L’Everest est la plus haute montagne du monde avec une altitude h = 8848m. Son sommet se situe à une distance
du centre de la Terre
1. Exprimer la valeur de la force de gravitation subie au sommet de l’Everest par un alpiniste de masse m en fonction
de G, d, m et mT la masse de la Terre
2. Exprimer la valeur du poids de l’alpiniste en fonction de l’intensité de pesanteur au sommet de l’Everest gE
3. En assimilant le poids à la force de gravitation déterminer l’expression de la valeur du champ de pesanteur en haut
de l’Everest
4. Calculer cette valeur puis la comparer à celle de ce champ au niveau de la mer g
Données : ; m = 80kg
Ex 21 – J’attire tout sur mon passage
1. Donner l’expression du champ de gravitation dû à un objet de masse m1 en un point distant d du centre de cet
objet
Une élève assise à 1,0m de son camarade de classe dont la masse est m2 = 60kg
2. Calculer la valeur du champ de gravitation créé par le camarade de classe à l’emplacement de l’élève
3. Calculer la valeur du champ de gravitation de la Terre en un point de sa surface
4. Commenter la phrase soulignée du texte
Données : ;
EXERCICES D’APPROFONDISSEMENT
Ex 22 – Un morceau de charbon chargé
Soit un morceau de charbon dont la masse est égale à 100g. On considère qu’il n’est constitué que d’atomes de
carbone et qu’on lui a enlevé 1% de ses électrons. Un proton est situé à 1,0m de ce morceau de charbon. Déterminer la
masse hypothétique nécessaire que devrait avoir le proton pour que la force gravitationnelle qu’il subit compense la
force électrostatique du morceau de charbon. Commentez votre résultat.
Données : ( )
Ex 23 – Champ gravitationnelle de la Terre et de la Lune
1. Déterminer la longueur d, telle qu’au point x les champs
gravitationnels de la Terre et de la Lune soient de même
intensité. D sera exprimé en fonction de la masse mT, de
la masse de la Lune mL, et de la distance dT-L entre la
Terre et la Lune
2. Comparer numériquement cette distance d à la distance
Terre Lune dT-L
Données : ; ;
Ex 24 – Influence de plusieurs champs
Le schéma ci-contre représente quelques lignes de champ
électrostatique dû à deux corps A et B chargés positivement et
maintenus à une distance d = 10cm l’un de l’autre
Déterminer la position du point M par rapport au corps A pour
laquelle un système chargé est en équilibre sous l’action des forces
électrostatiques exercées par les corps A et B
Ex 25 – Si l’homme était chargé !!
Si vous vous teniez à un bras de distance de quelqu’un et que chacun de vous ait un pour cent d’électrons de plus que
de protons, la force de répulsion serait incroyable. De quelle grandeur ? Suffisante pour soulever l’Empire State
Building ? Non ! Pour soulever le Mont Everest ? Non ! La répulsion serait suffisante pour soulever une masse égale
à celle de la Terre entière ! (D’après Richard Feynman)
1. Quelle est l’interaction évoquée par Feynman ?
La situation décrite par Feynman peut être modélisée par deux corps ponctuels, de charge
et distants de d = 60 cm
2. Calculer la valeur des forces électrostatiques qu’exerceraient l’un sur l’autre les deux corps ponctuels dans la
situation décrite par Feynman.
3. Calculer le poids qu’aurait un objet si sa masse était égale à celle de la Terre
4. Comparer les ordres de grandeur des valeurs de ces deux forces. La dernière phrase du texte ci-dessus est-elle
justifiée ?
Masse de la Terre :
Ex 26 – Champ résultant au niveau de la Lune lors d’une éclipse de Soleil
Lors d’une éclipse solaire, la lune se retrouve entre la Terre et le Soleil
1. Exprimer la force exercée par la Terre sur la Lune en fonction de mL, mT, et dT-L
2. Exprimer également cette force en fonction du champ de gravitation et de la masse de la Lune mL
3. En déduire l’expression du champ de gravitation
4. Indiquer alors ses caractéristiques
5. Faire de même pour le champ de gravitation du au Soleil
6. Reproduire le schéma. Le compléter en représentant à l’échelle les deux champs et au niveau de la Lune
7. Déterminer les caractéristiques du champ résultant
