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CHAPITRE 11 (PHYSIQUE) : NOTION DE CHAMP
Actvité documentaire : Émergence historique de la noton de champ
PS
Document n°1 : Vide et champ de pression
« Nous avons tous une noton intuitve du vide au sens d’absence d’objets matériels
visibles : une pièce est vide. Mais depuis des temps sans doute très lointains, il a été
remarqué que tout espace vide est encore rempli d’air, un des quatre éléments avec la
terre, le feu et l’eau de diférentes civilisatons dont la civilisaton grecque. En fait, la
noton de vide dépend de nos connaissances : le vide est l’absence de ce que nous savons
pouvoir exister. Aux quatre éléments classiques, Aristote (–384 ; –322) a d’ailleurs
proposé d’en rajouter un cinquième, l’éther, la substance des choses immuables comme
le ciel et les astres, et afrmé l’impossibilité du vide car la nature a horreur du vide. Ce
qu’Aristote a ainsi énoncé a été ensuite considéré comme une vérité absolue jusqu’à la
Renaissance et même plus tard. Ainsi une forme d’éther servait à expliquer pourquoi l’eau
monte dans un puits quand on pompe […] En voulant construire une fontaine de
12 m de haut à Florence, on découvrit que l’eau ne pouvait pas monter plus haut que
10 m 30. Torricelli, en 1643 reproduisit l’expérience avec du mercure dans un tube de 1 m,
trouva une hauteur de 76 cm et conclut à l’existence d’un vide dans la parte supérieure. Il
exprime l’idée que nous vivons au fond d’un océan d’air. Ainsi vers cete époque la noton
de champ de pression émerge. ».
Conférence « La richesse du vide » de Jean Zinn-Justn,
physicien théoricien, directeur de recherche au Commissariat à l’Energie Atomique,
Membre de l’Académie des Sciences
Document n°2 : Maxwell et la noton de champ
« En 1861, Maxwell créa le concept fondamental du "champ". Par champ, il désignait une
perturbaton de l’espace qui, en chaque point, est un potentel de force indépendant des
corps qui pouvaient s’y trouver. "Le champ disait-il crée une toile à travers tout le ciel".
Son efet peut être gravitatonnel lorsque cete force est liée à la Terre, électrique autour
d’une charge ou magnétque autour d’un courant électrique. Ces champs évoluent dans le
temps et sont à l’origine de l’existence des ondes. En dehors des champs, il n’y a pas de
force. […] Maxwell donne une foncton à l’espace. Comme disait Einstein, "cete théorie
était fascinante. Désormais, à l’idée classique de force qui fait jouer un rôle muet à
l’espace, le concept de champ consiste en un processus dans lequel les corps en
interacton baignent dans l’espace. Cet espace a la propriété d’interagir avec les corps".
Le champ sert à retrouver les forces qui agissent sur une partcule. »
Un siècle de physique, Thierry Lombry (journaliste scientfque)
Document n°3 : Cohen-Tannoudji et le champ de forces
« Le concept le plus parlant pour décrire les forces est celui du champ de force. Un champ
classique correspond à la donnée, en chaque point de l’espace, de l’intensité et de la
directon d’une force. Comme un champ de blé agité par le vent, un champ de force est le
siège de la propagaton d’ondes. »
Matère espace temps, Gilles Cohen-Tannoudji
physicien théoricien au Commissariat à l’Energie Atomique
Document n°4 : Schrödinger et la contnuité de la mesure
« En partant de nos expériences à grande échelle, en partant de notre concepton de la
géométrie et de notre concepton de la mécanique – en partculier de la mécanique des
corps célestes –, les physiciens en étaient arrivés à formuler très netement l’exigence à
laquelle doit répondre une descripton vraiment claire et complète de tout événement
physique : elle doit nous informer de façon précise de ce qui se passe en chaque point de
l’espace à chaque moment du temps – bien entendu à l’intérieur du domaine spatal et de
la porton de temps couverts par les événements physiques que l’on désire décrire. Nous
pouvons appeler cete exigence "le postulat de la contnuité de la descripton". C’est ce
postulat de la contnuité qui apparaît ne pas pouvoir être satsfait ! Il y a, pour ainsi dire,
des lacunes dans notre représentaton.[…]
L’idée d’un "domaine contnu", si familière aux mathématques d’aujourd’hui, est tout à
fait exorbitante, elle représente une extrapolaton considérable de ce qui est réellement
accessible. Prétendre que l’on puisse "réellement" indiquer les valeurs exactes de
n’importe quelle grandeur physique – température, densité, potentel, valeur d’un champ,
ou n’importe quelle autre – pour "tous" les points d’un domaine contnu, c’est là une
extrapolaton hardie. Nous ne faisons "jamais" rien d’autre que déterminer
approximatvement la valeur de la grandeur considérée pour un nombre très limité de
points et ensuite "faire passer une courbe contnue par ces points". Ce procédé nous suft
parfaitement dans la plupart des problèmes pratques, mais du point de vue
épistémologique, du point de vue de la théorie de la connaissance, il s’agit là de tout
autre chose que d’une descripton contnue soi disant exacte. […] Les faits observés ne
peuvent donc pas être mis en accord avec une descripton contnue dans l’espace et le
temps. »
Physique quantque et représentaton du monde,
Erwin Schrödinger (Prix Nobel de physique 1933)
Document n°5 : Balibar et les objets en interacton ou comme sources de champ
« Le concept de force à distance et celui de champ correspondent à deux visions du
monde diférentes ; dans un cas l’interacton est une relaton à deux (les deux corps en
interacton), dans l’autre, il s’agit d’un processus faisant intervenir trois acteurs : les deux
corps … et l’espace dans lequel ils baignent. Dans cete dernière concepton, l’espace est
modifé par la présence du premier corps A et c’est cete modifcaton que le deuxième
corps, B, ressent sous forme de force. »
Einstein 1905 : de l’éther aux quanta,
Françoise Balibar, physicienne et historienne des sciences, CNRS
Document 6 : Carte des températures mesurées
dans le quart Nord-Ouest de la France
le jour de la tempête Xynthia
Document 7 : Carte des vents
le 02 décembre 2009 en France
b. La température pouvait-elle être mesurée en ces deux endroits ce jour-là ?
Et à Courdimanche ?
4. Formuler une défniton d’un champ de température.
5. De manière plus générale, formuler une défniton d’un champ.
6. On dit que la carte du document 6 est un champ scalaire, tandis que celle du
document 7 est un champ vectoriel.
a. En déduire la diférence entre les deux types de champ.
b. Lequel des deux apporte le plus d’informaton sur les propriétés d’un point
donné de l’espace ? Justfer.
7. Pour chacune des grandeurs du tableau suivant, indiquer si le champ est
scalaire ou vectoriel.
Nom du champ
scalaire
vectoriel
Température
Document 8 : Carte IGN du Grand Ballon (point culminant des Vosges)
Vitesse
Pression
Pluviosité ou précipitaton
Pesanteur
Concentraton molaire d’un gaz dans l’atmosphère
Champ électrique
Alttude
Champ magnétque
Masse volumique
Potentel électrique
Questons :
En vous aidant des documents, répondez aux questons suivantes :
1. Quelles sont les deux idées nouvelles mises en évidence par l’expérience de
Torricelli ?
2. Quel physicien a créé le concept de champ ? En quel siècle a-t-il vécu ?
3. a. Une carte météorologique telle que celle fournie au document 6
donne-t-elle des informatons sur les températures à Cergy et à Pontoise le jour
de la tempête Xynthia ?
8. Un champ, scalaire ou vectoriel, peut être uniforme sur toute une région de
l’espace. Défnir le terme uniforme.
9. Pour représenter un champ scalaire, on peut utliser des courbes appelées
isocontours.
a. Défnir le mot isocontour.
b. Nommer les isocontours du document 8. Quelle est l’unité de ces
isocontours ?
c. Comment se nomment les isocontours liés à un champ de pression ? Liés à
un champ de température ?