activité documentaire

FICHE 1
PRÉSENTATION
Titre
Notion de champ
Type d'activité
Activité documentaire
Objectifs de
l’activité
Références par
rapport au
programme
Appréhender à l’aide d’exemples simples et progressifs, la notion de champ.
Cette activité illustre le thème COMPRENDRE
et le sous thème CHAMPS ET FORCES
en classe de PREMIERE S
Notions et contenus
Exemples de champs
Champ électrostatique
Champ de gravitation
Conditions de
mise en œuvre
Compétences attendues
Recueillir et exploiter des
informations sur un phénomène pour
avoir une première approche de la
notion de champ. Décrire le champ
associé à des propriétés physiques qui
se manifestent en un point de l’espace.
Caractéristiques d’un champ.
Prérequis : interactions gravitationnelles/électriques
Durée : plus de 2h
Contraintes matérielles : vidéoprojecteur
Remarques
Auteur
ABD-EL-KADER Françoise
TEYSSIER Sébastien
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
Académie de LYON
FICHE 2
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
FICHE 3
FICHE POUR LE PROFESSEUR
NOTION DE CHAMP
Les champs scalaires.
On parle de champ scalaire lorsqu’à tout point de l’espace on associe une valeur numérique.
Activité 1 : le champ scalaire de température / carte météorologique.
Sur la carte ci-contre, on
associe à différentes grandes villes
la température moyenne prévue
pour la journée. Cette carte est
donc une représentation d’un
champ scalaire de température.
1. En lisant les informations sur la
carte, pouvez-vous indiquer
quelles sont les températures
prévues à Lyon et à Saint
Etienne ? Et celle qu’il va faire
à Roanne ?
2. Quelle est la limite d’une telle
représentation ?
3. Pourquoi cette carte est-elle
colorée ?
4. En vous aidant de la couleur
pouvez-vous donner un ordre
de grandeur de la température
qu’il fera à Roanne ?
1. Lyon : 5 °C ; St Etienne : 5 °C ; la température de Roanne n’est pas portée sur la carte,
donc on ne peut pas savoir.
2. On ne peut pas indiquer les températures de chacun des points de la carte. On est obligé
de faire un maillage de l’espace.
3. La coloration de la carte permet de pallier la limite précédente en permettant de donner
une indication de la température des zones non répertoriées.
4. La zone de Roanne est en bleue clair, on peut donc affirmer que la température est
comprise entre 2 °C et 0°C.
Remarque : la carte sera idéalement projetée au vidéoprojecteur pour la juste appréciation des
couleurs…
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
Activité 2 : le champ scalaire de pression / carte météorologique.
Sur cette nouvelle carte, on représente un champ de pression, c’est-à-dire que l’on
associe à chaque point de l’espace une valeur de la pression atmosphérique.
1. Quelle est la valeur de la pression
atmosphérique le long d’une ligne
tracée en marron sur la carte. En
quelle unité cette pression est-elle
exprimée ?
On appelle équipotentielle, une ligne (ou
une surface) sur laquelle le champ a
même valeur. Une équipotentielle de
température est appelée une isotherme…
2. Quel nom spécifique donne-t-on à
une équipotentielle de pression ?
3. En observant la carte ci-contre,
complétez les phrases qui rendent
compte des propriétés des
équipotentielles :
« Dans le plan, les équipotentielles sont des …………….. ouvertes ou ……………………….
qui ne se ……………………. jamais. Par convention implicite, l’écart des valeurs des
champs entre deux équipotentielles consécutives est toujours ……………….. »
1. La valeur de la pression atmosphérique sur une ligne marron est indiquée sur la ligne et
elle reste constante tout le long d’une même ligne. La pression est ici exprimée en hPa
(hectopascal)
2. Une équipotentielle de pression s’appelle une isobare.
3. Dans le plan, les équipotentielles sont des lignes ouvertes ou fermées qui ne se coupent
jamais. Par convention implicite, l’écart des valeurs des champs entre deux
équipotentielles consécutives est toujours le même.
Les champs vectoriels.
On parle de champ vectoriel lorsqu’à tout point de l’espace on associe un vecteur.
Chaque vecteur a un sens et une intensité. Il va donc y avoir deux façons de procéder pour
représenter les champs vectoriels :
On s’intéresse à l’intensité du
champ et on trace les lignes
équipotentielles (voir partie
précédente).
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
On s’intéresse à la direction et
au sens du champ et on trace
les lignes de champs (on part
d’un point de l’espace, et on suit
la direction et le sens des
vecteurs en traçant une ligne
fléchée).
Académie de LYON
Activité 1 : le champ vectoriel de vitesse / force du vent.
(http://theyr.tv/cg/cna/L=fr%2ANA?_cookiecheck=1 )
1. Que représente chacune des flèches sur cette carte de météo marine ? Quels
renseignements donne-t-elle ?
Chaque flèche représente la force du vent au point où elle est tracée. Elles indiquent la
direction et le sens du vent mais aussi son intensité relative ( plus la flèche est mince et
courte et moins il y a de vent, inversement plus la flèche est longue et épaisse et plus le
vent est violent. )
2. Si on suit les flèches placées sur une même ligne se déplace-t-on le long d’une ligne de
champ ou d’une équipotentielle ? On se déplace sur une ligne de champ.
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
Activité 2 : le champ vectoriel magnétique / champ magnétique créé par un aimant.
La limaille de fer a la propriété de
pouvoir s’orienter dans le champ
magnétique : elle permet ainsi de
visualiser les lignes de champ
magnétique.
Pour avoir une bonne idée du champ,
il faut tracer un nombre raisonnable
de ligne de champ.
1. L’intensité du champ magnétique est-elle constante le long d’une ligne de champ ?
2. Sachant que le champ magnétique B est tangent aux lignes de champ et sort toujours
par le pôle nord, représentez, sans soucis d’échelle, le vecteur B aux points
du
champ.
3. On a constaté expérimentalement que plus les lignes de champ étaient denses
(rapprochées) et plus l’intensité du champ est importante. En observant la représentation
ci-contre, comparez la valeur de l’intensité du champ lorsqu’on est proche de l’aimant et
lorsqu’on s’éloigne de celui-ci.
1. Non, l’intensité du champ peut varier le long d’une ligne de champ. L’intensité du champ
n’est constante que le long d’une équipotentielle.
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
Les champs de forces.
Aspect historique.
Jusque dans la première moitié du XIXème siècle, les phénomènes physiques ont toujours été
analysés d’un point de vue mécanique, c’est à dire en termes de forces.
1. Rappelez les expressions des forces
 gravitationnelle, décrite par Newton, exercée par un objet de masse M, séparé par une
distance d d’un objet m.
F = G.Error!
 coulombienne décrite par Coulomb, exercée par une charge Q, séparée par une
distance d d’une charge q.
F = k.Error!
Cependant on pourrait objecter à Newton la chose suivante : Comment l’objet A sait-il qu’il
existe un objet massique B à une distance d de lui ? Autrement dit comment une force peut-elle
agir instantanément à distance ?
A cette question les scientifiques de la deuxième moitié du XIXème siècle répondent par
l’introduction d’un concept nouveau, le champ, qui forme une nouvelle image de la réalité.
La particule massique B provoque par sa présence dans l’espace une modification locale des
propriétés de celui ci. Cette modification de l’espace se traduit mathématiquement par la
présence d’un champ vectoriel de gravitation. La particule A se trouve alors baignée dans le
champ de gravitation crée par B et y réagit proportionnellement à sa masse.
Définition des champs de forces.
On associe des champs aux interactions fondamentales électrique et gravitationnelle :

 Le champ électrique ;E.

 Le champ gravitationnel ;g.
Chaque particule de matière crée autour d’elle, en raison de sa masse M,
un champ

gravitationnel ;g, tel qu’un objet de masse m placé dans ce champ est soumis à une force
d’attraction gravitationnelle :


;F = m. ;g
Chaque particule de matière crée autour d’elle, en raison de sa charge Q, un champ électrique

;E, tel qu’un objet de charge q placé dans ce champ est soumis à une force
d’attraction/répulsion électrique :


;F = q. ;E
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
1. Le champ électrique et le champ gravitationnel sont-ils des champs scalaires ou des
champs vectoriels ? Justifier.
Ce sont des champs vectoriels étant donné que ces champs sont représentés par des
vecteurs…
2. Préciser l’unité de la norme du champ gravitationnel et celle du champ électrique.
La norme du champ gravitationnel s’exprime en N/kg et la norme du champ électrique
s’exprime en N/C.
Compléter le tableau suivant :
Analogie CHAMP GRAVITATIONNELLE / CHAMP ELECTRIQUE.
Champ gravitationnel
Champ électrique
Interaction (force)
fondamentale mise en jeu
Interaction gravitationnelle
Interaction électrique
Caractéristique de la
particule responsable du
champ
Sa masse
Sa charge électrique


Schéma
(vecteurs forces)

;FM/m m
d

;FQ/q
q
d
;Fm/M
;Fq/Q
M
Q
Q>0 et q <0
Expression de la force
F = G.Error!
F = k.Error!
Expression du champ
(l’expression précédente sans
m/q).
g = G.Error!
E = k.Error!
Relation entre vecteur champ
et vecteur force


;FM/m = m. ;g
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien


;FQ/q = q. ;E
Académie de LYON
Sens et direction du vecteur
champ.
Même direction et même sens que

;FM/m

Même direction mais sens opposé à

;FQ/q (puisque q <0)

;g


;E
;E
;g
Schéma
(vecteurs champs)
M
Q
Schémas
(lignes de champs et lignes
équipotentielles)
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
FICHE 4
FICHE ÉLÈVE
NOTION DE CHAMP
Les champs scalaires.
On parle de champ scalaire lorsqu’à tout point de l’espace on associe une valeur numérique.
Activité 1 : le champ scalaire de température / carte météorologique.
Sur la carte ci-contre, on
associe à différentes grandes villes
la température moyenne prévue
pour la journée. Cette carte est
donc une représentation d’un
champ scalaire de température.
1. En lisant les informations sur la
carte, pouvez-vous indiquer
quelles sont les températures
prévues à Lyon et à Saint
Etienne ? Et celle qu’il va faire
à Roanne ?
2. Quelle est la limite d’une telle
représentation ?
3. Pourquoi cette carte est-elle
colorée ?
4. En vous aidant de la couleur
pouvez-vous donner un ordre
de grandeur de la température
qu’il fera à Roanne ?
Activité 2 : le champ scalaire de pression
/ carte météorologique.
Sur cette nouvelle carte, on
représente un champ de pression, c’est-àdire que l’on associe à chaque point de
l’espace une valeur de la pression
atmosphérique.
1. Quelle est la valeur de la pression
atmosphérique le long d’une ligne
tracée en marron sur la carte. En quelle
unité cette pression est-elle exprimée ?
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
On appelle équipotentielle, une ligne (ou une surface) sur laquelle le champ a même valeur.
Une équipotentielle de température est appelée une isotherme…
2. Quel nom spécifique donne-t-on à une équipotentielle de pression ?
3. En observant la carte ci-contre, complétez les phrases qui rendent compte des propriétés
des équipotentielles :
« Dans le plan, les équipotentielles sont des …………….. ouvertes ou ……………………….
qui ne se ……………………. jamais. Par convention implicite, l’écart des valeurs des
champs entre deux équipotentielles consécutives est toujours ……………….. »
Les champs vectoriels.
On parle de champ vectoriel lorsqu’à tout point de l’espace on associe un vecteur.
Chaque vecteur a un sens et une intensité. Il va donc y avoir deux façons de procéder pour
représenter les champs vectoriels :
On s’intéresse à l’intensité du
champ et on trace les lignes
équipotentielles (voir partie
précédente).
On s’intéresse à la direction et
au sens du champ et on trace
les lignes de champs (on part
d’un point de l’espace, et on suit
la direction et le sens des
vecteurs en traçant une ligne
fléchée).
Activité 1 : le champ vectoriel de vitesse / force du vent.
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
1. Que représente chacune des flèches sur cette carte de météo marine ? Quels
renseignements donne-t-elle ?
2. Si on suit les flèches placées sur une même ligne se déplace-t-on le long d’une ligne de
champ ou d’une équipotentielle ?
Activité 2 : le champ vectoriel magnétique / champ magnétique créé par un aimant.
La limaille de fer a la propriété de
pouvoir s’orienter dans le champ
magnétique : elle permet ainsi de
visualiser les lignes de champ
magnétique.
Pour avoir une bonne idée du champ,
il faut tracer un nombre raisonnable
de ligne de champ.
1. L’intensité du champ magnétique est-elle constante le long d’une ligne de champ ?
2. Sachant que le champ magnétique B est tangent aux lignes de champ et sort toujours
par le pôle nord, représentez, sans soucis d’échelle, le vecteur B aux points
du
champ.
3. On a constaté expérimentalement que plus les lignes de champ étaient denses
(rapprochées) et plus l’intensité du champ est importante. En observant la représentation
ci-contre, comparez la valeur de l’intensité du champ lorsqu’on est proche de l’aimant et
lorsqu’on s’éloigne de celui-ci.
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
Les champs de forces.
Aspect historique.
Jusque dans la première moitié du XIXème siècle, les phénomènes physiques ont toujours été
analysés d’un point de vue mécanique, c’est à dire en termes de forces.
1. Rappelez les expressions des forces
 gravitationnelle, décrite par Newton, exercée par un objet de masse M, séparé par une
distance d d’un objet m.
 coulombienne décrite par Coulomb, exercée par une charge Q, séparée par une
distance d d’une charge q.
Cependant on pourrait objecter à Newton la chose suivante : Comment l’objet A sait-il qu’il
existe un objet massique B à une distance d de lui ? Autrement dit comment une force peut-elle
agir instantanément à distance ?
A cette question les scientifiques de la deuxième moitié du XIXème siècle répondent par
l’introduction d’un concept nouveau, le champ, qui forme une nouvelle image de la réalité.
La particule massique B provoque par sa présence dans l’espace une modification locale des
propriétés de celui ci. Cette modification de l’espace se traduit mathématiquement par la
présence d’un champ vectoriel de gravitation. La particule A se trouve alors baignée dans le
champ de gravitation crée par B et y réagit proportionnellement à sa masse.
Définition des champs de forces.
On associe des champs aux interactions fondamentales électrique et gravitationnelle :

 Le champ électrique ;E.

 Le champ gravitationnel ;g.
Chaque particule de matière crée autour d’elle, en raison de sa masse M,
un champ

gravitationnel ;g, tel qu’un objet de masse m placé dans ce champ est soumis à une force
d’attraction gravitationnelle :


;F = m. ;g
Chaque particule de matière crée autour d’elle, en raison de sa charge Q, un champ électrique

;E, tel qu’un objet de charge q placé dans ce champ est soumis à une force
d’attraction/répulsion électrique :


;F = q. ;E
3. Le champ électrique et le champ gravitationnel sont-ils des champs scalaires ou des
champs vectoriels ? Justifier.
4. Préciser l’unité de la norme du champ gravitationnel et celle du champ électrique.
Compléter le tableau de la page suivante : Analogie CHAMP GRAVITATIONNELLE / CHAMP
ELECTRIQUE.
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON
Champ gravitationnel
Champ électrique
Interaction (force)
fondamentale mise en jeu
Caractéristique de la
particule responsable du
champ
Sa charge électrique
q
m
d
d
Schéma
(vecteurs forces)
Q
M
Q>0 et q <0
F = k.Error!
Expression de la force
Expression du champ
(l’expression précédente sans
m/q).
g = G.Error!
Relation entre vecteur champ
et vecteur force
Même direction mais sens opposé à
Sens et direction du vecteur
champ.

;FQ/q (puisque q <0)
Schéma
(vecteurs champs)
M
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Q
Académie de LYON
Schémas
(lignes de champs et lignes
équipotentielles)
Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien
Académie de LYON