I. Champ scalaire ou vectoriel

1ère S
Thème : Lois et modèles
TP n°16
Physique
La notion de champ en physique
Chap.15
 But du TP : Comprendre la notion de champ associé aux propriétés physiques de l’espace. Cartographier un champ
électrostatique et magnétique.
I. Champ scalaire ou vectoriel
 En physique, un champ est une modification des propriétés de l’espace. Il est caractérisé par une grandeur physique
mesurable (température, vitesse du vent, magnétisme, pesanteur…).
 Le champ est scalaire si la grandeur caractéristique est définie par une valeur numérique.
 Le champ est vectoriel si la grandeur caractéristique est un vecteur ayant une direction, un sens et une
valeur précis.
 Les trois documents page 5 représentent :
 Le champ de température (doc.1) ; Le champ de vitesse du vent (doc.2) ; Le champ de pression (doc.3).
1) Expliquer si ces trois champs sont des champs scalaire ou vectoriel.
2) Ces champs sont-ils uniformes, donc de valeurs constantes ? Justifier.
II. Champ électrostatique
1. Mise en évidence
 La boule électrisée d’un pendule permet de détecter le champ électrostatique créé par une tige en verre frottée
(voir doc.4 page 5).
1.1. Le champ électrostatique créé par la tige est-il un champ scalaire ou un champ vectoriel ?
 La règle crée un champ électrostatique noté Error! en un point de l’espace A. Toute charge électrique q
placée en ce point subit une force électrostatique Error! = q Error!.
1.2. Quel est le signe de la charge électrique q portée par la boule ?
1.3. Reproduire le schéma du doc.4. page 5. Y représenter au point A la force Error! exercée par la tige sur la
boule sachant que Fe = 15 mN.
1.4. Calculer la valeur E du champ électrostatique Error! si |q| = 75 µC.
1.5. D’une autre couleur, tracer le vecteur Error! au même point A.
2. Le canon à électrons
 Un canon à électrons est utilisé dans les microscopes électroniques pour illuminer un échantillon et en créer une
image agrandie jusqu’à 2 millions de fois (alors que les meilleurs microscopes optiques sont limités à un
grossissement de 2000).
 Le schéma du doc.5 page 5 représente un modèle de canon à électrons :
 Une plaque métallique C, appelée cathode, émet des électrons par chauffage (le chauffage permet d’extraire
les électrons du métal).
 Une plaque métallique A, l’anode, attire les électrons émis par C. Elle est percée d’un trou T d’où sortent les
électrons, l’ensemble placé dans un tube où est réalisé un vide poussé. L’anode A est reliée à la borne
positive d’un générateur de tension et la cathode C à la borne négative. La tension U entre les plaques A et C
peut atteindre quelques dizaines de kilovolts. Ainsi, le champ électrique Error! uniforme accélère les
électrons et sa valeur vaut E = Error! avec d la distance (en m) entre l’anode et la cathode.
2.1. Sachant que la distance entre les plaques A et C est égale à d = 2,5 cm, calculer la valeur du champ Error!
pour U = 3,4 kV. Comparer à la valeur précédente du 1.4.
 A présent, le faisceau d’électrons pénètre entre les armatures d’un condensateur plan formé de 2 armatures
parallèles (voir doc.6 page 5).
2.2. Décrire la trajectoire des électrons selon la polarité des armatures.
2.3. Sur les schémas page 5, tracer la trajectoire des électrons.
Représenter la force Error! et le champ Error! régnant entre les armatures.
2.4. Tracer, page 5, les lignes de champ électrostatique, courbe tangente au champ Error!. Conclure.
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III.
Champ magnétique
1. Mise en évidence
 Déplacer une aiguille aimantée près d’un aimant droit. Observer l’orientation prise par l’aiguille.
1.1. Le champ magnétique Error! créé par l’aimant est de quel type ? En déduire si ce champ est uniforme
autour de l’aimant.
 Placer une plaque avec des aiguilles aimantées. Placer un aimant en U. Chaque aiguille aimantée s’oriente dans
le sens sud - nord, ce qui forme des lignes de champ magnétique.
1.2. Représenter sur un schéma les lignes de champ magnétique Error! autour de l’aimant en U.
1.3. Remplacer l’aimant en U par l’aimant droit. Schématiser la situation. Les lignes de champ Error! sont-elles
les mêmes ?
2. Expérience d’Œrsted
 En 1820, le physicien danois Œrsted découvrit par hasard la relation entre électricité et magnétisme :
Voir la vidéo L’expérience d’Oersted (http://www.ampere.cnrs.fr/) réalisée au lycée.
 Réaliser l’expérience et observer.
2.1. De quel(s) paramètre(s) dépend la valeur du champ Error! créé par le
déplacement de charge électrique dans le fil ?
2.2. Pourquoi peut-on dire que l’électricité et le magnétisme sont de même nature ?
 Règle du bonhomme d’Ampère : Selon Ampère, un observateur fictif qui serait placé sur le fil, parcouru des
pieds à la tête par le courant qui regarderait l’aiguille aimantée, indiquerait le sens de déviation de l’aiguille
(sens sud-nord), en tendant le bras gauche.
2.3. Vérifier la validité de la règle d’Ampère.
3. Force magnétique
 On envoie un faisceau d’électrons dans un globe en verre où règne un champ magnétique Error! uniforme (voir
doc.7 page 5).
3.1. Décrire la trajectoire du faisceau d’électrons en fonction de la valeur du champ magnétique.
3.2. Sur le schéma ci-dessous, tracer la trajectoire circulaire des électrons. Représenter la force magnétique
Error! s’exerçant sur les électrons.
Vue de côté
 La force Error! a pour direction et sens celle définie par la règle des 3 doigts de la main droite. (Voir ci-dessus)
3.3. En déduire la direction et le sens du champ magnétique Error!.
3.4. Représenter le vecteur Error! au centre du schéma avec la notation suivante :
 Si le vecteur est dirigé vers la feuille :

 Si le vecteur est dirigé vers le lecteur :

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IV.
Le champ de gravitation
1. Le champ de pesanteur
 Un corps de masse m est soumis à son poids sur Terre.
1.1. Calculer la valeur du poids d’un astronaute de masse m = 110 kg à la surface de la Terre où l’intensité du
champ de pesanteur vaut g = 9,80 N/kg.
1.2. Donner la relation entre les vecteurs champ de pesanteur Error! et le vecteur poids Error!.
1.3. Sur le schéma ci-dessous, tracer le vecteur Error! lorsque l’astronaute est en A, B et C.
1.4.
Comment évolue la valeur du champ de pesanteur avec l’altitude ? Pour quelle altitude, la valeur de g est
divisée par deux? Une construction graphique est demandée.
1.5.
Le champ de pesanteur Error! est considéré comme uniforme si sa valeur ne varie pas de plus de 10%.
Déterminer pour quelle altitude maximale le champ de pesanteur est considéré comme uniforme.
Une construction graphique est demandée.
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2. Champ de gravitation
 En 1686, Isaac Newton décrit la gravitation universelle dans son œuvre majeure Principe Mathématique de la
Philosophie Naturelle.
 Newton énonce que la norme de la force de gravitation Error! qu’exerce le centre de la Terre de masse
MT sur un corps de masse m, séparés d’une distance d, peut s’écrire : F = G  Error!
2.1. Par comparaison avec le champ de pesanteur, on peut définir le champ de gravitation noté Error! par la
relation : Error! = Error!.
Établir l’expression littérale de la norme G du vecteur Error!.
2.2. Calculer l’intensité de G à la surface de la Terre.
Données : Constante universelle de gravitation G = 6,67 10-11 N.m2.kg-2
Terre
Mars
24
Masse (en kg)
5,98  10
6,42  1023
Rayon (en km)
6 378
3 396
2.3. Comparer l’intensité du champ de gravitation G avec l’intensité du champ de pesanteur g. Conclure.
 Remarque : En raison du mouvement de rotation de la Terre, les champs de gravitation et de pesanteur ne sont
pas rigoureusement identiques ; cependant, ces deux champs peuvent s’identifier localement : Error!T = Error!
.
2.4. Sur Mars, un astronaute est-il plus ou moins attiré que sur Terre ? Justifier à l’aide d’un calcul.
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P (en bar)
doc.1 Carte des températures en France
doc.2 Carte des vents en France
doc.3 Evolution de la pression en
plongée
fil
tige électrisée
+++++++
boule
A
doc.5 Schéma d’un canon à électrons
doc.4 : Attraction de la boule par la tige
doc.6 Déviation du faisceau d’électrons




Élèves
Aiguille aimantée sur support
Aimant droit
Aimant en U
Plaque avec aiguilles aimantées
Bureau
 Tube à déviation d’électrons
 Dispositif des bobines d’Helmholtz
 Expérience d’Oersted
doc.7 Dispositif expérimental
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