fiche TP_LES INTERACTIONS FONDAMENTALES DE L`UNIVERS

Lycée Jean XXIII REIMS
Chapitre P1 Première S
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LES INTERACTIONS FONDAMENTALES DE L’UNIVERS
I. L’interaction gravitationnelle (ou Newtonienne)
1. Deux corps A et B, de petite taille (ou ayant une répartition sphérique de la masse) s’attirent
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 :
LT
F
: exercée par la Terre et subie par la lune.
TL
F
: 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 MA et MB des corps.
- Inversement proportionnelle au carré de la distance AB.
FA/B = FB/A =
2
AB
MGM BA
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
II. L’interaction électronique (ou Coulombienne)
1. Les charges électriques
Il existe deux types de charges électriques :
Positive : portée par les protons des noyaux de l’atome.
Négative : portée par les électrons tournant autour du noyau de l’atome.
Particule
Symbole
Charge électrique (C)
Masse (kg)
Electron
e-
qe = - 1,6.10-19
9,10.10-31
Proton
P+
qp = + 1,6.10-19
1,67.10-27
Neutron
n
qn = 0
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.

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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 :
 pe
F
: exercée par l’électron et subie par le proton du noyau.
 ep
F
: exercé par ............ et subie par ....................... .
On donne :
 pe
F
=
 ep
F
= 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 =
2
AB
QkQ BA
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
+

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III. L’interaction nucléaire forte
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
3A
 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+ = ................................. Fgravité = ............................... .
d = .....................................
G = .....................................
Force COULOMBIENNE
Qp+ = .................................. F coulomb = .............................
k = .....................................
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.
 Compléter le tableau ci-dessous :
Interaction responsable
de la cohésion
Objet
Ordre de grandeur
de la taille (en m)
Noyau d’atome
Atome
Molécule
Cristal ionique
Bactérie
Homme
Océan
Terre
Système solaire
Galaxie
Dans le cristal de chlorure de sodium
représenté ci-dessous, on donne les rayons
des ions : RNa+ = 98 pm
RCl- = 181 pm
1. Calculer la valeur commune des forces de
l’interaction COULOMBIENNE.
2. Calculer la masse de Na+ et de Cl-.
3. Calculer la valeur commune des forces de
l’interaction NEWTONIENNE.
4.Conclure.