Cours - Le cours de physique

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Chapitre 8. Cours
1 S
La cohésion de la matière.
I. Composition de l’Univers.
L'Univers à une structure lacunaire : à différentes échelles d’observation de l’Univers, il est principalement
constitué de vide et la matière est concentrée en certains lieux.
On peut y observer, par exemple, vers l'infiniment petit :
-5
- une cellule ~ 10 m (quelques μm)
- une molécule
-10
- un atome ~ 10 m
-15
- un noyau atomique ~ 10 m
-18
- un quark (~ 10 m)
On peut y observer, par exemple, vers l'infiniment grand :
7
- notre planète, la Terre ~ 10 m (12 800 km)
13
- le système solaire ~ 10 m
16
- d'autres étoiles, Proxima du Centaure étant la plus proche (4×10 m)
21
- notre galaxie, la Voie Lactée ~ 10 m
- notre amas de galaxies, l’Amas Local (ou groupe local) de galaxies
- notre superamas de galaxies, le superamas de la Vierge
26
- l’Univers observable ~ 10 m
II. Constitution de la matière.
Les particules élémentaires constituant la matière sont le proton et le neutron (que l'on trouve dans les noyaux
atomiques, ce sont des nucléons) ainsi que l'électron (qui dans l'atome est autour du noyau).
particule masse (ordre de grandeur) charge électrique
-30
électron
10 kg
-e
-27
proton
10 kg
e
-27
neutron
10 kg
0
-19
où e = 1,60210 C est la charge électrique élémentaire.
L'unité légale (ou unité du système international ou unité SI) de charge électrique est le coulomb (symbole C).
Un noyau atomiques X, constitué de Z protons et N neutrons (soit A nucléons avec A = Z + N ), est noté
A
Z
X.
Z est aussi nommé "nombre de charges" ou "numéro atomique". A est aussi nommé "nombre de masses".
Deux noyaux atomiques sont dits isotopes lorsqu'ils ont le même nombre Z de protons (il s'agit donc du même
élément chimique) mais un nombre A de nucléons différents (et donc un nombre N de neutrons différents).
Le noyau de carbone, par exemple, contient 6 protons. Mais il existe, entre autres, le noyau de carbone 12 (qui
contient 12 nucléons soit 6 neutrons, 126 C ) et le noyau de carbone 14 (qui contient 14 nucléons soit 8 neutrons,
14
6
C ). Ce sont deux isotopes du carbone.
Remarque : les isotopes ont un nombre de nucléons différents, ils n’ont donc pas la même masse.
L'atome étant électriquement neutre, il contient autant d'électrons que de protons. Mais la matière peut être
électriquement chargée, par ajout ou perte de particules élémentaires chargées. Donc toute charge Q est un
multiple de la charge élémentaire e .
III. Interactions fondamentales. (voir document)
1. L'interaction gravitationnelle.
Elle a une portée infinie et une intensité extrêmement faible mais elle est toujours attractive.
Quelques manifestations : chute des corps, mouvement des planètes et satellites.
Soient deux corps A et B (ponctuels ou à répartitions sphériques de masses), la force gravitationnelle Fg A/B que
A exerce sur B :
- est appliquée au centre de masse de B,
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1 S
- a la direction de la droite (AB),
- est dirigée de B vers A (force toujours attractive),
Fg A/B
- a pour valeur (loi de Newton)
-11
avec G = 6,6710
-2
mA mB
2
d AB
G
Fg A/B
A
B
dAB
2
N.kg .m la constante de gravitation universelle, Fg A/B en N, mA et mB les masses des corps A
et B en kg et dAB la distance entre les centre des corps A et B en m.
Exercice : Calculer la valeur de la force de gravitation qui s'exerce entre un proton et un électron distants de 10
m (taille d'un atome).
Fg = G × mA × mB / d 2  6,6710-11  10-27  10-30 / (10-10)2 = 6,6710-48 N ~ 10-47 N
-10
2. L'interaction électromagnétique.
Elle a une portée infinie et une intensité assez forte.
Quelques manifestations : cohésion (et propriétés) des atomes, des molécules et de la matière (sauf à l'échelle
de la planète et plus), phénomènes d'électrisation (voir activités expérimentales), électricité et magnétisme
(aimants …).
L'une de ses manifestation est la force électrostatique (ou force coulombienne) :
Soient 2 corps A et B (ponctuels ou à répartitions sphériques de charges), la force électrostatique Fe A/B que A
exerce sur B :
- est appliquée au centre des charges du corps B,
- a la direction de la droite (AB),
- est attractive si les charges sont de signes opposés ou répulsive si les charges
sont de mêmes signes,
- a pour valeur (loi de Coulomb) Fe A/B
avec k  9,010
+9
k
Fe A/B
A
B
dAB
q A qB
2
d AB
SI , Fe A/B en N, qA et qB les charges électriques des corps A et
A
dAB
B en C et dAB la distance entre les centre des charges des corps A et B en m.
B
Exercice :
-10
1. Calculer la valeur de la force électrostatique qui s'exerce entre un proton et un électron distants de 10 m
(taille d'un atome).
2. Quelle est la valeur du rapport entre cette force et la gravitationnelle ? Comment cette valeur évolue-t-elle
avec la distance ?
Réponses :
2
9
-19
-19
-10 2
-8
1. Fe = k × | qA × qB | / d = 9,010  | 1,610  (- 1,610 ) | / (10 ) ~ 10 N
-8
-47
39
2. Fe / Fg ~ 10 / 10 ~ 10
on montre facilement (à l'aide des expressions littérales) que ce rapport est indépendant de la distance.
Conclusion de l'exercice
gravitationnelle.
:
l'interaction
électromagnétique
prédomine
largement
sur
l'interaction
À l'échelle astronomique, la matière est "vue" électriquement neutre, donc la force électrostatique est sans effet.
La cohésion des structures est alors due à l'interaction gravitationnelle.
3. L'interaction forte.
Elle a une portée très faible (10
-15
m) et une intensité très forte.
A l'échelle du noyau atomique elle prédomine et permet la cohésion des protons (et des neutrons) qui, sans elle,
se repousseraient à cause de la force électrostatique.
4. L'interaction faible.
Elle a une portée extrêmement faible (10
-17
Elle est responsable de la radioactivité β.
m) et une intensité moyenne.
FE A/B