IV. tude expérimentale de l`interaction électrique
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Mme GRISARD Physique : Introduction CHAPITRE : . . . . . Les interactions fondamentales Classe : samedi 15 avril 2017 Objectifs : Savoir que toute charge électrique est multiple d’une charge élémentaire. Connaître l’ordre de grandeur du rapport de masses du nucléon et de l’électron. Connaître l’ordre de grandeur du rayon d’un atome et d’un noyau. Connaître et savoir appliquer la loi de Coulomb. Savoir que dans un métal une fraction des électrons est libre de se déplacer dans tout l’échantillon, alors que dans un isolant les déplacements des charges sont inférieures à la taille atomique. Savoir qu’au niveau du noyau s’exercent deux types d’interactions dont les effets sont opposés. Savoir que la cohésion de la matière est assurée par : l’interaction gravitationnelle à l’échelle astronomique, l’interaction électromagnétique à l’échelle des atomes, des molécules et à notre échelle, l’interaction forte à l’échelle du noyau. I. Particules élémentaires Des molécules aux systèmes astronomiques, la matière peut être considérée comme constituée de particules élémentaires qui sont toutes identiques entre elles quelque soit l’endroit où on les trouve : les neutrons, protons et électrons. Leur assemblage crée l’infinie diversité de l’univers. Schéma d’un atome. Les neutrons Les neutrons : possèdent une masse de 1,7.10-27 kg environ mais pas de charge électrique (ils sont neutres). On les trouve dans le noyau des atomes. Les protons Les protons : possèdent une masse de 1,7.10 -27 kg environ, et une charge électrique positive. La charge électrique d’un proton vaut « +e ». La charge élémentaire « e » est la plus petite charge électrique connue. Elle vaut e=1,6x10-19 C. Toute charge électrique est un multiple de cette charge élémentaire. Les noyaux atomiques contiennent des protons et des neutrons, c’est pourquoi on appelle ces particules nucléons. Le rayon d’un noyau atomique mesure environ 10 -5 m, alors que le rayon d’un atome mesure environ 10 -10 m. Les électrons Les électrons sont des particules de masse 9,1.10-31 kg, et de charge électrique négative. La charge électrique d’un électrons vaut « –e » (e=1,6x10-19 C). AE : Sans calculatrice, calculer un ordre de grandeur du rapport de la masse d’un nucléon sur la masse d’un électron. La masse d’un électron est environ 2 000 fois plus petite que celle d’un nucléon. II. Interactions fondamentales AE : étude de document : les interactions fondamentales. a) La masse et l’interaction gravitationnelle Définition : Tous les corps qui possèdent une masse sont en interaction : ils exercent entre eux des forces appelées forces d’attraction gravitationnelle. * * interaction = action réciproque entre deux objets attraction = action d’attirer Loi de Newton : Deux objets ponctuels A et B de masse mA et mB séparés par une distance d exercent l’un sur l’autre des force d’attraction gravitationnelles A/B et B/A qui ont : - la même droite d’action : celle de la droite (AB) B - un sens opposé :ce sont des forces d’attraction (la A/B force A/B exercée par A sur B est dirigée vers A, A tandis que B/A est dirigée vers B) B/A m A mB - une valeur identique F égale à : F G 2 d où F s’exprime en Newton (N), mA et mB en kilogramme, d en mètre, et G est la constante de gravitation universelle et vaut : 6,67 x 10-11 S.I. (m3.kg-1.s-2). 1 Mme GRISARD Physique : Introduction CHAPITRE : . . . . . Les interactions fondamentales Classe : samedi 15 avril 2017 Remarque : Cette force est proportionnelle à la masse de chacun des deux objets et inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare les deux objets. Sa portée est infinie, mais elle diminue lorsque la distance augmente. b) Les charges et l’interaction électrique Définition : Tous les corps qui possèdent une charge électrique non nulle sont en interaction : ils exercent entre eux des forces appelées forces d’interaction électriques. * interaction = action réciproque entre deux objets Loi de Coulomb : Deux objets ponctuels A et B de charge électrique qA et qB séparés par une distance d exercent l’un sur l’autre des force d’interaction électrique A/B et B/A qui ont : - la même droite d’action : celle de la droite (AB) ; B - si les charges électrique ont même signe, ce sont des forces de répulsion, si les charges électriques sont de A/B A signes opposés, ce sont des forces d’attraction ; B + + - une valeur identique F égale à : F k B/A q A qB d2 où F s’exprime en Newton (N), qA et qB en Coulomb, d en mètre, et k est la constante d’interaction électrique universelle et vaut : 9 x 109S.I. (kg.m3.s-4.A-2). A/B A + B/A B - A/B A - B/A Remarque : Cette force est proportionnelle à la charge électrique de chacun des deux objets et inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare les deux objets. Sa portée est infinie, mais elle diminue lorsque la distance augmente. c) le noyau et l’interaction forte Au niveau du noyau atomique, faisons le bilan des différentes interactions : L’interaction gravitationnelle s’exerce entre chacun des nucléons, elle est très faible, car la masse de chaque nucléon est très faible. L’interaction électrique s’exerce entre les protons, ils se repoussent l’un l’autre. Pourquoi le noyau ne se sépare-t-il pas ? Définition : Il existe au niveau du noyau une interaction entre nucléons qui contrebalance la répulsion entre protons et assure la cohésion des noyaux : c’est l’interaction forte. Elle est attractive et de courte portée. [Remarque : Plus le noyau contient de protons, plus ceux-ci sont éloignés les uns des autres pour des raisons d’encombrement, plus l’interaction forte a du mal à contrebalancer l’interaction électrique. A partir de l’uranium, les noyaux deviennent instables (voir classification périodique des éléments).] III. Cohésion de la matière à diverses échelles A l’échelle astronomique, seules les interactions à portée infinie (interaction électrique et interaction gravitationnelle) jouent un rôle pour expliquer la cohésion de la matière. L’interaction gravitationnelle a une intensité beaucoup plus faible que l’interaction électrique. Cependant, à cette échelle, la matière est globalement neutre, c’est pourquoi les effets de l’interaction électrique ne se font pas sentir entre planètes, entre étoiles, ou entre galaxies. Il reste donc l’interaction gravitationnelle. 2 Mme GRISARD Physique : Introduction CHAPITRE : . . . . . Les interactions fondamentales Classe : samedi 15 avril 2017 A notre échelle, le mouvement d’objets en chute libre s’explique par l’interaction gravitationnelle, alors que les autres effets (forces de contact, tension d’un fil, attraction ou répulsion entre aimants…) s’expliquent par l’interaction électrique (aussi appelée interaction électro-magnétique). A l’échelle atomique, c’est l’interaction électrique qui est responsable du mouvement des électrons autour du noyau. C’est elle qui permet aux atomes de se rapprocher l’un de l’autre pour former des molécules, et aux molécules d’un solide ou d’un liquide de rester proches les unes des autres. Conclusion : La cohésion de la matière est assurée par : - l’interaction gravitationnelle à l’échelle astronomique, - l’interaction électromagnétique à l’échelle des atomes, des molécules et à notre échelle, - l’interaction forte à l’échelle du noyau. IV. tude expérimentale de l’interaction électrique tude de document : texte de Feynman (collection Hélios-Hachette) Voir T.P. ou activité prof a) lectrisation par frottement : AP : Électricité statique : 1. Frotter règle plexiglas sur sac plastique et approcher de petits papiers. Interprétation : Quand on frotte la règle en plastique sur le sac plastique, elle lui arrache des électrons, ce qui lui confère une charge électrique négative. Cette charge électrique exerce une force sur les bouts de papier. Schéma : ++ Papier --+++ bâton électrisé --+++ Lorsqu’on frotte un matériau, on peut lui arracher ou lui apporter localement des électrons. Ces électrons sont captés ou arrachés à l’objet qui a servi à frotter. Ce phénomène est appelé électrisation par frottement. La partie frottée possède alors des propriétés électriques. Il existe deux types d’électricité : certains matériaux sont susceptibles de perdre des électrons (on dit qu’ils s’électrisent positivement), tandis que d’autres matériaux sont susceptibles de capter des électrons (on dit qu’ils s’électrisent négativement). b) lectrisation par influence : Si on approche un objet électrisé d’un autre objet, on crée un déplacement de charges électriques dans ce second objet. Si l’objet est conducteur, ce déplacement peut avoir lieu dans tout le matériau, s’il est isolant, le déplacement reste localisé aux dimensions atomiques : on parle de distorsion locale de la distribution de charges. 2. Frotter règle plexiglas sur sac plastique et approcher du pendule initialement déchargé. On observe que le papier alu est d’abord attiré (puis repoussé). Interprétation : La règle, chargée positivement attire les charges négatives (électrons) présentes dans le papier alu, et repousse les charges positives (noyaux) du papier alu. 3 Mme GRISARD Physique : Introduction CHAPITRE : . . . . . Les interactions fondamentales Classe : samedi 15 avril 2017 Schéma : pendule électrostatique Feuille d’alu ++ ++ -- bâton électrisé Dès qu’on a touché la feuille d’alu, elle est repoussée, pourquoi ? c) lectrisation par contact : Le contact entre un objet électrisé et un autre objet permet un transfert d’électrons, jusqu’à équilibrer les charges électriques des objets en contact. Schéma : pendule électrostatique Feuille d’alu ++ ++ ---- bâton électrisé Les électrons passent de la feuille d’alu sur la règle. Globalement, il reste un déficit d’électrons, la charge globale est positive. Les deux objets possèdent alors une charge de même signe et se repoussent. 3. Décharger le pendule. Autre exemple : 4. Frotter le bâton de PVC sur la laine et approcher du pendule initialement déchargé. On observe que le papier alu est d’abord attiré, puis repoussé. Le bâton de PVC frotté est chargé négativement. Dès qu’ils se touchent, une partie des électrons passe du bâton de PVC sur la feuille d’alu. 5. Décharger le pendule. Autre exemple : AE - Interpréter les 2 expériences suivantes : 6. Bien charger le pendule avec le bâton de PVC initialement frotté sur la laine, puis approcher le bâton de d’ébonite initialement frotté sur la fourrure. On observe que le papier alu est repoussé. Corrigé : Le pendule est initialement chargé négativement. Le bâton d’ébonite aussi, donc ils se repoussent. 7. Bien charger le pendule avec le bâton de PVC initialement frotté sur la laine, puis approcher la règle de plexiglas frottée sur le sac plastique. On observe que le papier alu est attiré (puis repoussé). Corrigé : Le pendule est initialement chargé négativement. La règle en plexiglas est chargée positivement, donc ils s’attirent. d) Cas des matériaux conducteurs 4 Mme GRISARD Physique : Introduction CHAPITRE : . . . . . Les interactions fondamentales Classe : samedi 15 avril 2017 Dans un corps isolant électrique, les déplacements des charges électriques mobiles (électrons) sont inférieurs à la taille d’un atome. Dans un métal (conducteur électrique), une fraction des électrons peut se déplacer librement dans tout l’échantillon : on les appelle les électrons libres. S’il n’est en contact avec aucun autre conducteur, la charge électrique se répartit dans l’échantillon. S’il est en contact avec un autre corps, il peut lui transmettre les charges électriques. 5 Eve GRISARD Physique A : Les interactions fondamentales LISTE DE MATERIEL Expériences d’électrisation Classe : . . . . . . . . . Date : . . . . . . . . . Heure : . . . . . . . . Matériel au bureau : électroscope Un grand pendule électrostatique, avec rondelle en alu fine (voir schéma) boîte contenant : bâton d’ébonite bâton de verre gros tube à essai en verre épais (ou grosse éprouvette en verre non graduée) prouvette graduée en polypropylène bâton en plexiglas (règle) bâton de PVC bâton en métal 2 sacs plastique fin 2 morceaux de fourrure 2 morceaux de laine support isolant lisse (petit bécher retourné) une paille paille en plastique fil de pêche rondelle découpée dans un papier d’aluminium support en plastique expansé ou en pâte à modeler 6
