fiche TP_LES INTERACTIONS FONDAMENTALES DE L`UNIVERS
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Lycée Jean XXIII Chapitre P1 REIMS Première S LES INTERACTIONS FONDAMENTALES DE L’UNIVERS L’interaction gravitationnelle (ou Newtonienne) 1. Deux corps A et B, de petite taille (ou ayant une répartition sphérique de la masse) s’attirent I. MUTUELLEMENT : A attire B et B attire A, avec une valeur égale des deux forces. On représentera les forces par des VECTEURS dont les caractéristiques sont : Direction : la droite AB qui passe par le centre des objets. Origine : le centre du corps qui subit la force. Sens : orientation du corps qui subit vers le corps qui exerce (pour une attraction). Valeur : on choisit une échelle de représentation cm N (Newton). Sur le schéma ci-dessous (figure 1), représenter et nommer les vecteurs forces : FT L FL T : exercée par la Terre et subie par la lune. : exercée par........... et subie par ....................... . On donne : FT/L = FL/T = 2.1020 N. Et on choisit l’échelle de représentation : 1 cm 1.1020 N. - figure 1 - 2. La valeur commune de la force d’attraction qu’exercent l’un sur l’autre les corps A et B est : - Proportionnelle au produit des deux masses M A et MB des corps. - Inversement proportionnelle au carré de la distance AB. FA/B = FB/A = GM A M B AB 2 G est une constante, appelée constante de gravitation universelle, dont la valeur est, dans le système international (SI) : G = 6,67.10-11 unité SI Les valeurs des forces sont en Newton (N) si les masses sont en kg et la distance en m. Calculer la valeur des forces d’attraction Terre-Lune et vérifier la valeur donnée plus haut : MT = 6,0.1024 kg ML = 7,4.1022 kg TL = 3,840.105 km = ................ m FT/L = FL/T = ....................... …………….=………………………………….N L’interaction électronique (ou Coulombienne) 1. Les charges électriques II. Il existe deux types de charges électriques : Positive Négative Particule Electron Proton Neutron : portée par les protons des noyaux de l’atome. : portée par les électrons tournant autour du noyau de l’atome. Symbole eP+ n Charge électrique (C) qe = - 1,6.10-19 qp = + 1,6.10-19 qn = 0 Masse (kg) 9,10.10-31 1,67.10-27 1,67.10-27 La valeur de la charge de l’électron est appelée CHARGE ELEMENTAIRE : toute charge macroscopique est un multiple de cette quantité e = 1,6.10-19 C. 1/3 Lycée Jean XXIII Chapitre P1 REIMS Première S 2. La loi de Coulomb Deux corps A et B, chargée électriquement sont en interaction : ils s’attirent (ou se repoussent) MUTUELLEMENT : A attire (ou repousse) B et B attire (ou repousse) A, avec une valeur égale des deux forces. On représentera les forces par des VECTEURS dont les caractéristiques sont : Direction : la droite AB qui passe par le centre des objets. Origine : le centre du corps qui subit la force. Sens : orientation du corps qui subit vers le corps qui exerce (pour une attraction) (et dans le sens opposé pour une répulsion…). Valeur : on choisit une échelle de représentation cm N (Newton). Sur le schéma ci-dessous (figure 2), d’un atome d’hydrogène, représenter et nommer les vecteurs forces : Fe p : exercée par l’électron et subie par le proton du noyau. Fp e : exercé par............ et subie par ....................... . On donne : Fe p = Fp e = 8.10-8 N. Et on choisit l’échelle de représentation : 1 cm 2.10-8 N. noyau + - figure 2 - La valeur commune de la force d’attraction (ou de répulsion) qu’exercent l’un sur l’autre les corps A et B, de très petite taille, est : Proportionnelle au produit des valeurs absolues des charges QA et QB des corps. Inversement proportionnelle au carré de la distance AB. FA/B = FB/A = kQA Q B AB 2 k est une constante, dont la valeur est, dans le système international (SI), pour des charges placées dans le vide : k = 9.109 unité SI Les valeurs des forces sont en Newton (N) si les charges sont en C et la distance en m. Calculer la valeur des forces d’attraction COULOMBIENNE électron-proton et vérifier la valeur donnée plus haut : PE = 53 pm = ..................... m Fp/e = Fe/p = ......................... = .................. N 3. Comparaison des interactions Calculer la valeur commune des forces d’interaction NEWTONIENNE entre électron et proton : Fp/e = Fe/p = ......................... = .................. N Conclusion Au niveau microscopique de l’atome, l’interaction ……………………..est très nettement prédominante devant l’interaction .................................................. . 4. Les phénomènes d’électrisation Ces manifestations, connues depuis l’Antiquité, tirent leur nom de l’ambre jaune (« elektron » = ambre en grec), résine fossile qui sert à confectionner des bijoux : les marins grecs qui transportaient de l’ambre de la Baltique et de l’Ecosse, avaient remarqué que des brins de paille (qui servait à protéger les blocs dans les cales des navires) adhéraient à l’ambre au déchargement : le frottement les avaient électrisés. En multipliant les expériences de frottement de corps, on s’aperçut ultérieurement qu’il existait deux (et seulement deux) modes d’électrisation : « l’électricité vitreuse » et « l’électricité résineuse ». L’interprétation des phénomènes électrostatiques est venue avec la théorie atomique : Les charges positives (portées par les protons des noyaux) sont IMMOBILES : tous les phénomènes électrostatiques s’interprètent par le mouvement des seuls électrons 2/3 Lycée Jean XXIII Chapitre P1 REIMS Première S L’interaction nucléaire forte III. Cette interaction est responsable de la cohésion du noyau : si elle n’existait pas, la répulsion électrique des protons empêcherait toute possibilité d’association. Le noyau d’un atome a une forme sensiblement sphérique : une loi empirique donne le rayon (en fermi femtomètre) du noyau, en fonction du nombre, A, de nucléons : r 1,2 3 A Calculer le rayon approché du noyau d’hélium 42He : r = ……… fm (10-15m) En prenant la valeur du rayon calculée ci-dessus comme distance entre les deux protons du noyau, vérifions que la force gravitationnelle (attractive) entre protons ne peut compenser seule la force de répulsion électrique : Force NEWTONIENNE Mp+ = ................................. d = ..................................... G = ..................................... Fgravité = ............................... . Force COULOMBIENNE Qp+ = .................................. k = ..................................... F coulomb = ............................. Conclusion L’interaction nucléaire forte, de très courte portée (quelques fm) assure la cohésion du noyau de l’atome en surpassant la répulsion COULOMBIENNE entre protons. Remarques 1- Pour les très gros noyaux (Z>92), l’interaction nucléaire forte n’assure plus parfaitement la cohésion : les nucléons sont « mal collés » et ces noyaux peuvent spontanément exploser en se fractionnant : phénomène de désintégration radioactive. 2- En réalité, le noyau n’est pas un « sac de billes », dont les billes seraient les nucléons : ceux-ci ne sont discernables et individualisés dans le noyau ; une meilleure image serait donnée par un modèle en « pâte à modeler » : on façonne des boules en pâte à modeler rouge (par exemple) pour les protons et des boules en pâte bleu pour les neutrons et on pétrit le tout ensemble pour fabriquer une boule à peu près sphérique. IV. La cohésion de la matière Les trois interactions évoquées sont donc, chacune dans son domaine d’action, responsables de la cohésion de la matière dans l’Univers. Dans le cristal de chlorure de sodium Compléter le tableau ci-dessous : représenté ci-dessous, on donne les rayons des ions : RNa+ = 98 pm Interaction responsable Objet Ordre de grandeur RCl- = 181 pm de la cohésion de la taille (en m) 1. Calculer la valeur commune des forces de Noyau d’atome l’interaction COULOMBIENNE. Atome 2. Calculer la masse de Na+ et de Cl-. Molécule 3. Calculer la valeur commune des forces de Cristal ionique l’interaction NEWTONIENNE. Bactérie 4.Conclure. Homme Océan Terre Système solaire Galaxie 3/3
