TP TS physique : Mouvement dans le champ électrostatique Un

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TP TS physique : Mouvement dans le champ électrostatique
Un accélérateur de particules est un instrument qui utilise des champs électriques ou magnétiques pour amener des
particules chargées électriquement à des vitesses élevées. En d'autres termes, il communique de l'énergie aux
particules. On en distingue deux grandes catégories : les accélérateurs linéaires et les accélérateurs circulaires.
I) Le champ électrostatique
Afin d’illustrer cette notion, ouvrir le lien suivant : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/BoiteACharges.swf
La boîte à charge est constituée de deux plaques parallèles chargées positivement ou négativement.
1) Placer successivement une sphère immobile neutre, chargée positivement puis négativement entre les
plaques. Qu’observe-t-on ?
2) Pourquoi les sphères se mettent-elles en mouvement ?
3) Le champs électrostatique
créé entre les deux plaques est représentée par un vecteur qui leur est
perpendiculaire et dont le sens est de la plaque positive à la plaque négative. Compléter le schéma suivant
en représentant le vecteur champ électrostatique
ainsi que la force électrostatique
dans le cas d’une
sphère positive puis négative.
La force électrostatique
est donnée par la relation
  
et la valeur du champ
est 
avec U la tension
appliquée entre les deux plaques et d la distance qui les sépare.
II) Etude théorique du dispositif :
Un électron est envoyé avec une vitesse initiale horizontale
entre les plaques A et B où il règne un champ électrique
uniforme, champ créé par l’application d’une tension U entre ces
deux plaques séparées d’une distance d.
Cet électron est soumis à une force
  
qui le dévie (avec
q la charge de la particule déviée)
Observer le mouvement des électrons au bureau du professeur.
Montrer que le poids d’un l’électron est négligeable par rapport à
la force électrique qu’il subit entre des plaques A et B.
Donnée : masse de l’électron : me- = 9,1.10-31 kg
charge de l’électron : qe- = -1,6.10-19 C
U = 4,5 kV et d = 5,2 cm

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A) Le dispositif de déviation du faisceau d’électrons (plaques A et B sur le cliché)
Dans cette zone les plaques A et B créés un champ électrique
.
1) Etablir les caractéristiques de la force
et du champ
pour que les électrons soient déviés vers le haut.
2) A l’aide de la 2ème loi de Newton déterminer les caractéristiques de l’accélération 
de l’électron.
3) La trajectoire curviligne observée sur le cliché est-elle en accord avec cette analyse ?
Les électrons arrivent au point O avec une vitesse initiale
parallèle aux plaques A et B
4) Montrer que l’équation de la trajectoire dans le repère (O ;
i
,
j
) est :
2
2
0
2x
dmv
eU
y
5) Comment est modifiée l’allure de la trajectoire si on inverse la polarité des plaques A et B ?
B) Étude expérimentale
Elle sera effectuée à partir d’une vidéo réalisée à partir du dispositif et placée dans le répertoire D:/TP TS champ E
Conditions expérimentales : U = 4,5 kV d= 5.2cm
Lancer Aviméca et charger la vidéo « Champ E.avi » sur le disque D:/video chute TS
Adapter l’image à la l’écran : Cliquer sur « Clip » Adapter puis valider.
Dans l’onglet « Étalonnage » Cocher « Axes » Choisir le système d’axes avec l’axe des Y dirigé vers le
haut et l’axe des X vers la gauche. Placer l’origine tout à droite de l’image.
Dans le même onglet « étalonnage » Placer les deux points de repérage l’écran est quadrillé, chaque
carré a 1,0 cm de côté.
Numériser la position du faisceau d’électrons à l’aide d’une bonne vingtaine de points.
Transférer les mesures dans Regressi
Afficher puis modéliser l’équation de la trajectoire y = f (x) par le modèle approprié voir tableau ci-dessous.
Compléter le tableau suivant en relevant les valeurs fournis par la modélisation :
Modèle
c
Unité :………
Ecart
expérience-modèle
y = cx2
C) Exploitation :
1) À l’aide de la valeur c du modèle et des valeurs expérimentales fournies, déterminer la valeur
de la
vitesse des électrons.
2) Sachant que les électrons accélérés par le dispositif constitué des plaques A et B (soumises à une
tension U), ont acquis une vitesse V telle que : V 2 =
m
eU'2
, déterminer V et comparer sa valeur à celle de
V0 déterminée précédemment.
Donnée : U = 4,0kV
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Exercices pour les plus rapides et pour les autres à faire à la maison !
D) Accélération entre les plaques A et B :
Cette partie du dispositif comprend un canon à électron qui accélère les électrons émis par un filament afin d’obtenir
un faisceau rectiligne d’électrons de même vitesse (tension réglable U de quelques kV entre les plaques A’ et B)
1) Quelle force subit un électron entre les plaques A et B ou règne un champ électrique 
? Donner le signe
des plaques A et B pour que les électrons soient accélérés de la plaque A vers la plaque B.
2) A l’aide de la 2ème loi de Newton établir les caractéristiques de l’accélération
de l’électron.
3) Quel est alors le mouvement de l’électron entre les plaques A et B du canon à électrons ?
4) Réaliser un schéma du canon à électrons (partie A B) et représenter les trois vecteurs
, 
et 
E) Zone entre la plaque B et le dispositif de déviation ( A,O ,B)
Dans cette zone ne règne théoriquement aucun champ électrique.
1) A l’aide de la 2° loi de Newton, en déduire les caractéristiques du vecteur accélération 
de l’électron.
2) En déduire la nature du mouvement de l’électron dans cette zone.
Annexe
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