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PI
LES INTERACTI0NS FONDAMENTALES
I) LA CONSTITUTION DE LA MATIERE
Rappel : la matière était constituée de neutrons, de protons (les nucléons) et d'électrons.
Particule
Charge
Masse
neutron
0
mn = 1,67 . 10 - 27 kg
proton
+e
mp = 1,67 . 10 - 27 kg
électron
-e
me = 9,10 . 10 - 31 kg
La charge élémentaire est e = 1,6 . 10 - 31 C (Coulomb)
Toute charge électrique est un multiple de cette charge élémentaire.
Application
Déterminer le rapport de la masse d’un nucléon sur celle de l’électron.
27
mn 1,67.10
1835
me 9,1.10 31
La masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons
L'atome a un diamètre de l’ordre de 10 - 10 m, soit 1 angstrom.
Un atome est constitué d'un noyau central et d'un nuage électronique :

Le noyau atomique, de l'ordre de 10 - 15 m soit 1 fm [femtomètre], est environ 100 000 fois plus petit que
l’atome.)

Représentation d’un noyau
A
A= nombre de masse (nb nucléons)
X
Z
Z= numéro atomique (nb protons)
X= symbole de l’élément
Par exemple, l'atome de chlore :
possède un noyau central contenant Z = 17 protons positifs et N = 18
neutrons. Le nombre de nucléons est donc A=Z+N=17+18=35. On symbolise ce noyau par.
Z = 17 est également appelé le numéro atomique.

Loin du noyau se trouve le nuage électronique. Un atome étant électriquement neutre posséde autant
d'électrons négatifs dans le nuage électronique que de protons positifs dans le noyau.
II)
INTERACTION GRAVITATIONNELLE DE NEWTON
1) Loi de Newton
(Vu en 2nde)
Deux corps A et B (ponctuels ou à symétrie sphérique de masse) de masses mA et mB et séparés
par une distance d, exercent l'un sur l'autre des forces attractives
droite qui les joint

FA/ B
et

FB/ A dirigée suivant la
FA/B
B
FA/B = FB/A =
B
G mA.m
2
d
 G est la constante de gravitation. G = 6,67 . 10 - 11
 FA/B et FB/A: forces d’interaction gravitationnelle en N
 d : distance entre A et B en m
 mA et mB : masses de A et B en kg
FB/A
2)
(N.kg-2.mA
d
2) Applications
Activité 1
1) Déterminer la force d’interaction qui s’applique entre deux objets A et B, à symétrie sphérique, de masses m A
= mB = 1 kg situées à la distance d = 1 m l’un de l’autre.
FA/B = FB/A = G mAmB = 6,67.10-11 N
d2
2) Déterminer la force d’interaction qui s’applique entre un objet A, de masse mA = 1 kg et la Terre. L’objet
étant situé à la surface de la Terre.
Données :
L’objet et la Terre présente une répartition de masse à symétrie sphérique.
Masse de la Terre MT = 5,98.1024 kg
Rayon de la Terre RT = 6380 km.
FT/A = FA/T = G mAMT = 6,67.10-11 x 1 x 5,98.1024 ≈ 9,8 N
RT2
(6380.103)2
Remarque :
Cette force d’interaction d’un objet situé au voisinage de la Terre peut être assimilée au poids de cet objet.
(Rappel : P = mg avec g intensité de la pesanteur = 9,81 N/kg)
P = mAg = 1 x 9,81 = 9,81 N
donc g = G
MT
R T2
3) Déterminer la force d’interaction qui s’applique entre un objet A, de masse mA = 1 kg et le Soleil. L’objet
étant situé à la surface de la Terre.
Données :
L’objet et le Soleil présente une répartition de masse à symétrie sphérique.
Masse du Soleil MS = 1,98.1030 kg
Rayon de la Terre RT = 6380 km.
Distance entre les centres de la Terre et du Soleil : d = 1,50.108 km.
FS/A = FA/S = G mAMs = 6,67.10-11 x 1 x 1,98.1030 ≈ 5,87.10-3 N
d2
(1,50.1011)2
4) Calculer la force d’interaction gravitationnelle qui s’applique entre deux protons.
Données :
mp = 1,67.10-27 kg.
distance moyenne proton – proton d = 4,8 fm.
Fp/p = Fp/p = G mpmp = 6,67.10-11 x (1,67.10-27)2 ≈ 8,1.10-36 N
d2
(4,8.10-15)2
5) Conclusion :comparaison des différentes intéractions.
L’interaction entre la Terre et un objet placé à son voisinage est prépondérante par rapport à
celle du soleil sur cet objet : L’objet va donc rester à la surface de la Terre. On pourra aussi
négliger l’attraction entre deux objets par rapport à l’attraction terrestre.
L’interaction gravitationnelle assure la cohésion de la matière à l’échelle de l’univers.
III)
INTERACTION ELECTRIQUE DE COULOMB
1) Charges et interaction électrique : cf TP P1
2) Conducteurs et isolants
Dans certains matériaux, on constate que les charges électriques peuvent se déplacer. Ces matériaux sont
appelés conducteurs et les autres isolants.
En général, les métaux sont de bons conducteurs car ils possèdent des électrons libres de se déplacer.
Les solutions ioniques sont également conductrices (iosn porteurs de charge).
Lorsqu’aucune charge électrique n’est susceptible de se déplacer le corps est un isolant.
Exemples : les solides ioniques (cristaux de sulfate de cuivre), le diamant, l’éthanol.
3)La loi de Coulomb
Deux objets ponctuels A et B, séparés par une distance d et portant des charges q A et qB, exercent
l'un sur l'autre des forces. Ces forces ont :

Même direction, celle de la droite qui joint les centres des corps

Même valeur :
Avec :
FA/B = FB/A = k qAqB
d2
o
K : constante physique qui dépend du milieu, dans l’air k=9.109NC-2m2 (sera
donnée)

o
FA/B et FB/A : forces d’interaction électrique en N
o
qA et qB : charges en C
o
d : distance en m
FA/B
FB/A
le sens dépend des charges :
si elle sont de même signe, l’interaction est répulsive :
qA
si elle sont de signes opposés, l’interaction est attractive :
qB
d
FA/B
FB/A
qA
d
qB
Remarque :
Cette interaction est un cas particulier de l’interaction électromagnétique.
4) Ordre de grandeur
Activité 2 :
Déterminer la force de répulsion électrique qui s’applique entre deux protons.
Données :
qp = +e = 1,6.10-19 C.
distance moyenne entre deux protons d = 4,8 fm.
Fp/p’ = Fp/p’ = k qp2 = 9.109 x (1,6.10-19)2 = 10 N
d2
(4,8.10-15)2
Comparer les interactions électrique et gravitationnelle à l’échelle microscopique.
L’interaction gravitationnelle est négligeable devant l’interaction électrique de Coulomb au
niveau macroscopique.
S’il n’existait que ces deux interactions dans le noyau atomique, que se passerait-il ? Conclure.
La répulsion électrique est bien plus importante que l’attraction gravitationnelle donc le noyau
se disloquerait. Il existe donc une autre interaction qui assure la cohésion du noyau :
l’interaction forte.
IV)
COMPARAISON DES INTERACTIONS
1) Analogies
Les forces gravitationnelle et électrique ont des expressions de la même forme (proportionnelles au
produit des grandeurs masses ou charges et inversement proportionnelles au carré de la distance entre
les deux objets). Ces forces ont une portée limitée.
2) Différences
- Domaines de prédominance :
L’interaction électrique prédomine à l’échelle atomique, ionique et moléculaire. (échelle microscopique)
L’interaction gravitationnelle prédomine à l’échelle astronomique.(objets neutres)
L’interaction forte entre protons et neutrons s’oppose à l’interaction électrique répulsive entre les
protons du noyau. Elle prédomine dans le noyau atomique.
Les forces dues aux interactions gravitationnelle et forte sont toujours attractives ; ce qui n’est pas le
cas pour l’interaction électrique
Activité 1 :
1) Calculer la force d’interaction qui s’applique entre deux objets A et B, à symétrie sphérique, de masses m A = mB = 1 kg
situées à la distance d = 1 m l’un de l’autre.
2) Calculer la force d’interaction qui s’applique entre un objet A, de masse mA = 1 kg et la Terre. L’objet étant situé à la
surface de la Terre.
Données : l’objet et la Terre présente une répartition de masse à symétrie sphérique.
Masse de la Terre MT = 5,98.1024 kg
Rayon de la Terre RT = 6380 km.
3) Calculer la force d’interaction qui s’applique entre un objet A, de masse mA = 1 kg et le Soleil. L’objet étant situé à la
surface de la Terre.
Données : l’objet et le Soleil présente une répartition de masse à symétrie sphérique.
Masse du Soleil MS = 1,98.1030 kg Distance entre les centres de la Terre et du Soleil : d = 1,50.10 8 km.
4) Calculer la force d’interaction gravitationnelle qui s’applique entre deux protons.
Données :
mp = 1,67.10-27 kg
distance moyenne proton – proton d = 4,8 fm.
5) Conclure en comparant les différentes intéractions.
Activité 2 :
1) Calculer la force de répulsion électrique qui s’applique entre deux protons.
Données :
qp = +e = 1,6.10-19 C
distance moyenne entre deux protons d = 4,8 fm.
2)
Comparer les interactions électrique et gravitationnelle à l’échelle microscopique.
3)
S’il n’existait que ces deux interactions dans le noyau atomique, que se passerait-il ? Conclure.