Activité expérimentale et documentaire N°1 (P13)
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Activité expérimentale et documentaire N°1 (P13) Notion de champ scalaire et de champ vectoriel 1- Les champs scalaires : Le champ de pression P Pour commencer, on souhaite mesurer la pression P dans un aquarium rempli d’eau en quelques points de l’espace en particuliers. Puis, on lira la carte de pression météorologique. y Mesures : PA = …………………… PB = …………………… PC = …………………… PD = …………………… PE = …………………… z PF = …………………… PG = …………………… x x a) Compare les mesures obtenues. Quelle remarque peux-tu faire ? ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… b) Quelle hypothèse peux-tu émettre sur la pression dans un liquide ? ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… c) Quand on se place en un point donné de l’aquarium, la mesure est-elle modifiée lorsque l’on change l’orientation du capteur ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Champ de pression : à tout point M de l’espace (x, y, z) est associée une valeur de la pression P(x, y, z). d) A partir de la carte de pression, quelle est la valeur de la pression atmosphérique près de Lyon ? à Perpignan ? 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. e) Quel nom spécifique donne-t-on à une équipotentielle de pression ? ………………………………………………………………………………… Trace les 3 équipotentielles de pression sur l’aquarium. De quel paramètre dépendent-elles ? f) En observant la carte ci-contre, complète les phrases qui rendent compte des propriétés des équipotentielles : Dans le plan (x, y), 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 ………………… Dans ce cas, l’écart est de ………………… Le champ de température T y a) En quoi une carte météorologique de température permet de connaître le champ de température en France ? ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… b) Quelles sont les températures prévues à Lyon ? …………… à Paris ? …………… c) Quelle est la limite d’une telle représentation ? ……………………………………………… d) Pourquoi cette carte est-elle colorée ? …………………………………………………………… e) Peux-tu estimer la température à Villefranche sur Saône ? Justifie. ……… x ………………………………………………………………………………………………………………………………………… Champ de température : à tout point M de l’espace (x, y, z) est associée une valeur de la température T(x, y, z). 2- Les champs vectoriels : On parle de champ vectoriel lorsqu’à tout point M de l’espace (x, y, z) on associe un vecteur. Chaque vecteur a une intensité, mais aussi une direction et un sens et. Il va donc y avoir deux façons de procéder pour représenter les champs vectoriels : Pour l’intensité du champ vectoriel, on trace les lignes équipotentielles (comme pour les champs scalaires). Pour la direction et le sens du champ vectoriel, 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 tangente). Le champ de vitesse v( M ) a) Que représente chacune des flèches sur cette carte de météo marine ? y ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… b) Quels renseignements donne-t-elle ? ……………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… x ………………………………………………………………………………………………………………………………………… c) 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 ? Justifie et traces-en une. ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Champ de vitesse : à tout point M de l’espace (x, y, z) est associée un vecteur vitesse v (x, y, z). Le champ électrique E( M ) a) Avec le logiciel, sélectionne une charge + (cadre du haut). Pour étudier le champ qu’elle crée, place une charge élémentaire + (cadre du bas) et déplace-la autour de la 1ère, puis un ensemble de charges élémentaires +. Quels sont les caractéristiques des lignes de champ d’une charge + ? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… b) Procède de la même façon en sélectionnant une charge – (cadre du haut). Quels sont les caractéristiques des lignes de champ d’une charge - ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… y c) A partir de cette carte du champ électrique de deux charges opposées, indique la position de la charge + et la position de la charge -. Justifie. ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… x ……………………………………………………………………………………………………………………………………… d) D’après les flèches de la carte, comment peux-tu tracer les équipotentielles ? …………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… e) Entoure la bonne réponse : - Les lignes de champs s’écartent / se rapproche quand la valeur du champ diminue / augmente ; et inversement. - Les lignes de champs du champ électrique sont ouvertes / fermées / ouvertes et fermées. - Les équipotentielles du champ électrique sont ouvertes / fermées. Le champ électrique dans un condensateur plan Un condensateur plan est constitué de 2 armatures conductrices A et B planes et parallèles séparées par un isolant. La distance d entre les armatures devant être faible devant leurs dimensions. Expérience n°1 : On place le dispositif ci-contre sur un rétroprojecteur. A et B sont deux plaques métalliques dont les bases baignent dans de l’huile de ricin (isolant). On saupoudre des graines de gazon entre A et B. Machine de Wimshurst a) Que permettent de visualiser les grains ? Représente-les. ……………………………………………………………………………………………………………………………………… y B A ……………………………………………………………………………………………………………………………………… b) Comment est disposé le champ électrique par rapport aux grains ? Justifie. x ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… c) Que peux-tu en déduire sur la valeur du champ électrique à l’intérieur d’un condensateur plan ? Justifie. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Expérience n°2 : Les plaques A et B étant toujours verticales, on constate qu’une petite bille ponctuelle, de masse m et chargée positivement, suspendue à un fil entre les armatures est attirée par la plaque B. d) Cette information permet-elle de connaître le sens du champ électrique ? Justifie ta réponse et si oui donne son sens. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Champ électrique : à tout point M de l’espace (x, y, z) est associée un vecteur de champ électrique E (x, y, z). Le champ magnétique B( M ) 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. y Nord a) A l’aide de l’aimant droit et de la plaque adaptée, vérifie que le spectre (ensemble des lignes de champ) correspond au document cicontre. Utilisation d’une aiguille aimantée : elle donne la direction et le sens du champ : direction, Sud-Nord de l’aiguille et sens, du Sud vers le Nord de l’aiguille. M . x' SUD B Sud x NORD b) L’intensité du champ magnétique est-elle constante le long d’une x ligne de champ ? ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… c) Sachant que le champ magnétique est tangent aux lignes de champ et sort toujours par le pôle nord, représente, sans soucis d’échelle, le vecteur aux 3 points du champ. Vérifie en plaçant une aiguille aimantée. d) On a constaté expérimentalement que plus les lignes de champ se rapprochaient et plus l’intensité du champ est importante. En observant la représentation ci-contre, compare la valeur de l’intensité du champ lorsqu’on est proche de l’aimant et lorsqu’on s’éloigne de celui-ci. …………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… e) Toujours avec la plaque, observe puis dessine les lignes de champ entre les branches d’un aimant en U. Que peux-tu dire des lignes de champ et sur la valeur du champ ? …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… y Nord …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… x f) A quoi sert une boussole ? Dans quelles circonstances s’en sert-on ? …………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Ngéographique g) Pour comprendre le champ magnétique terrestre, on schématise la Terre par un cercle et son noyau magmatique par un aimant droit. Dessine des lignes de champ orientées pour expliquer l’orientation des boussoles. Que constates-tu ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Sgéographique ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Champ magnétique : à tout point M de l’espace (x, y, z) est associée un vecteur de champ magnétique B (x, y, z)
