PHYSIQUE 1ère S – Chapitre 1 Les interactions fondamentales Le formalisme vectoriel L’interaction gravitationnelle Cette interaction fondamentale est décrite par la loi de gravitation universelle de Newton. Elle s’exerce entre deux corps A et B, séparés de la distance AB = d, de par leurs masses respectives mA et mB. Elle est toujours attractive. On la modélise par un vecteur force de direction : la droite (AB) de sens : orientée vers le centre attracteur, A pour FA/B et B pour FB/A mA mB de valeur FA/B = FB/A = G où G = 6,67.10-11 N.m².kg-2 d² ce qu’on résume de la manière vectorielle suivante. d B FA/B A uAB FB/A mB m m FA / B FB / A G A B u AB AB ² où le vecteur u AB est orienté de A vers B comme sur le schéma. mA L’interaction électrostatique L’interaction électrique (ou électrostatique) entre deux corps A et B, séparés d’une distance AB = d, est due à leurs charges respectives qA et qB. Elle peut être attractive (entre charges de signes opposés) ou répulsive (entre charges de même signe). On la modélise par une force dite de Coulomb de direction : la droite (AB) de sens : attractive (charges de signes opposés) ou répulsive (charges de même signe) |qA| |qB| de valeur donnée par F = k où k = 9,0.109 N.m².C-2 d² B d A FB/A FA/B uAB qB Charges de signes opposés : attraction qA qB < 0 qA Charges de même signe : répulsion qA qB > 0 d FB/A B FA/B qB A uAB qA On peut résumer la loi de Coulomb q q FA / B FB / A k A 2 B u AB AB AB u AB est un vecteur unitaire orienté de A vers B u AB . On vérifie bien FA / B que est orientée selon AB u AB si qA et qB ont le même signe, et selon – u AB si les charges sont opposées. Remarques sur le formalisme vectoriel L’intérêt du formalisme vectoriel pour ces deux interaction est double : premièrement, il se retient particulièrement bien, puisqu’il s’écrit systématiquement « de A vers B ». Par ailleurs, vous savez qu’un vecteur force physique est défini par un point d’application et trois données : sa direction, son sens et sa valeur (ou norme). L’écriture vectorielle concentre en fait ces trois données : la u AB ou – u AB , et les normes des forces par m m pour l’interaction gravitationnelle FA / B FB / A FA / B FB / A G A B 0 AB ² q A qB pour l’interaction électrostatique FA / B FB / A FA / B FB / A k 0 AB 2 direction et le sens sont portés par le vecteur Caractéristiques et domaines de prédominance des forces Interaction (champ d’action) Découverte Gravitationnelle Pesanteur, les marées, les trajectoires des planètes... (1687, Newton) 1687 Isaac Newton Electromagnétique 1860 Quasiment tous les phénomènes de la James Clerk vie courante Maxwell (1860, Maxwell) Forte Cohésion des noyaux atomiques (années 1930, Yukawa) Faible Radioactivité beta, Soleil (noyau atomique) (1896, Becquerel) Années 1930 Yukawa Intensité relative Fermions impliqués Bosons (vecteur) Portée Sens toutes les particules (masse) graviton (?) infinie décroît avec la distance attractive 10 leptons chargés et quarks (charge électrique) photon infinie décroît avec la distance attractive ou répulsive 10 Quarks (couleur) gluon 10 m croît avec la distance attractive 1 leptons et quarks boson + (W , W , Z°) attractive ou répulsive 10 -36 -2 -15 1896 Henri Becquerel -18 10 m -7 Globalement, à cette échelle, la matière est électriquement neutre et l’Univers présente une structure essentiellement lacunaire ; à cette échelle, seule l’interaction gravitationnelle persiste. Les galaxies, le mouvement des planètes autour du Soleil, les anneaux autour de Saturne, l’atmosphère (et donc la vie) terrestre existent grâce à l’interaction gravitationnelle. C’est elle qui assure la cohésion de la matière à l’échelle astronomique. Les atomes, les molécules, les cellules vivantes, les objets qui nous entourent et constituent la matière existent grâce à l’interaction électromagnétique. C’est elle qui est responsable des frottements ou de la raideur d’un ressort, de la tension d’un fil, etc... Dans l’atome d’hydrogène, elle est 1040 fois plus intense que l’interaction gravitationnelle, qui n’a pas d’action notable à notre échelle, tout comme l’interaction forte, bornée au noyau atomique. Elle ne permet cependant pas de tout expliquer (mécanique quantique). Dans le noyau, il existe certes l’interaction gravitationnelle, attractive, entre les nucléons, mais aussi l’interaction électrique de nature répulsive entre les protons. Nous avons vu que ces deux interactions ne sont pas suffisantes pour assurer la cohésion de la matière nucléaire ; si le noyau résiste à la forte répulsion entre les protons, c’est qu’il existe une interaction attractive entre les nucléons : l’interaction forte. Lorsque le nombre de charges augmente, la répulsion électrique peut l’emporter et commence à expliquer la radioactivité des éléments de Z supérieur à 92… On touche ici aux manifestations de l’interaction nucléaire faible.