Chapitre_Physique_n_01_-_Interactions_fondamentales

Première S Physique – Chapitre n°1
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Interactions fondamentales
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Questions élèves :
Citer les trois particules élémentaires :
Les particules élémentaires sont les protons, les neutrons et les électrons. Toute la matière est constituée par ces
particules, à toute échelle.
Peut-on rassembler deux d’entre elle ?
Les protons et les neutrons forment les nucléons.
Quelle est leur caractéristique de masse et de charge ?
Caractéristiques des particules élémentaires dans l'atome
Proton
mp = 1,67.10-27kg
q = +e
r = 1,2.10-15m
Neutron
mn = 1,67.10-27kg
q = 0
r = 1,2.10-15m
Électron
me = 9,11.10-31kg
q = -e
e est appelé charge élémentaire. Toute charge est proportionnelle la charge élémentaire. q=n.e
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Questions élèves :
Comment sont rangées ces particules à l’intérieur d’un atome ?
Protons et neutrons sont localisés dans le noyau.
Les électrons sont répartis tout autour (cortège électronique)
Z, nombre de charges ou numéro atomique, est le nombre de protons mais aussi le nombre d’électrons. L’atome
est électriquement neutre.
Donner la notation du noyau :
Le noyau est noté
X
A
Z
Quels sont les ordres de grandeur des dimensions dans un atome ?
Diamètre atome=10-10m ; diamètre noyau=10-15m
Remarque : Si une tête d’épingle représente le noyau, situé au centre d’un stade de football, l’atome s’étendrait
jusqu’à la périphérie du terrain.
D’après les masses vues précédemment, où se situe principalement la masse d’un atome ?
Dans un atome la masse se situe principalement dans le noyau.
Applications numériques :
Evaluer l’ordre de grandeur de la masse volumique du noyau de l’atome d’hydrogène.
L’atome d’hydrogène possède un unique proton et rnoyau=0,510-15m :
3
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A.N.
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Cette interaction est régit par la loi de Newton (XVIIème siècle)
Deux corps homogènes A (masse m1) et B (masse m2) dont les centres O1 et
O2 sont distants de d, exercent l’un sur l’autre des forces attractives
réciproques
BA
F/
et
AB
F/
de même droite support O1O2 et de même valeur.
221
dmmG
F
avec F valeur commune des forces (en Newton : N), d
distance entre les centres (en mètre : m) et m1, m2 masse des corps en kg.
G est appelé la constante de gravitation G=6,6710-11N.kg-2.m2
Application numérique :
Quelle est la valeur de la force de gravitation qui s’exerce entre la Terre et la Lune ?
On donne : MT=5,971024kg ; ML=5,971022kg et d=3,84108m
On trouve F=2,031020N
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Que se passe-t-il lorsque l’on frotte une tige avec un tissu ?
Par exemple, si on frotte une tige de verre avec un morceau de laine, on arrache des électrons de la tige qui
passent sur la laine.
Le verre qui était neutre avant l’expérience possède moins de charges négatives, il est donc chargé
positivement. (Avec le plastique frotté avec le coton c’est l‘inverse, le plastique sera chargé négativement)
Conclusion des observations :
Si un objet porte une charge négative, il possède un excès d’électrons. Si un objet porte une charge positive,
il possède un défaut d’électrons.
On a vu grâce aux manipulations que deux charges de même signe se repoussent alors que deux charges de
signes contraires s’attirent.
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Nous avons vu que la charge électrique d’un objet (initialement neutre) dépend de si il possède un excès ou un
défaut d’électrons.
La valeur absolue de la charge de cet objet est alors nécessairement un multiple de la charge élémentaire
e.
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Deux corps ponctuels A et B portant respectivement les charges qA et qB et séparées d'une distance d=AB sont
soumis à deux forces opposées de même valeur :
2
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d
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FBA
 F en Newton (N)
 qA et qB en coulomb (C)
 d en mètre (m)
 k=9.109N.m².C-2 dans le vide ou dans l’air
Ces deux forces ont pour droite d'action la droite AB.

Première S Physique – Chapitre n°1
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Ces forces sont:
 Attractives si les charges sont de signes contraires.
 Répulsives si les charges sont de même signe.
Comparaison avec la loi de gravitation universelle :
 Analogie entre les deux forces :
 Elles sont proportionnelles aux grandeurs qui les créent
 Elles sont inversement proportionnelles au carré qui la distance
 Différence entre les deux forces :
 La force de gravitation est toujours attractive, les forces électriques sont attractives ou
répulsives.
Exercice :
Dans la molécule de diazote N2, les atomes d’azote sont distants de d=0,14nm.
Données : m(N2)=2,31023g ; e=1,610-19C ; G=6,6710-11SI ; k=9,0109SI ; Z(N)=7
1. Déterminer la charge q part chaque noyau.
2. Calculer la force d’interaction électrique entre les 2 noyaux.
3. Calculer la force d’intéraction gravitationnelle entre les 2 atomes.
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 Conducteurs et isolants : différences
Dans un conducteur (métallique), des électrons peu liés au noyau (électrons de conduction) peuvent être
animés d’un mouvement d’ensemble.
Dans un isolant, cela ne peut pas être le cas puisque les électrons sont plus fortement liés au noyau des
atomes.
Remarque :
Ce sont ces électrons de conduction qui permettent le passage d’un courant électrique dans un conducteur
lorsque celui-ci est soumis à une tension.
D’après vous, se déplacent-ils vite ? Non, quelques centimètres par seconde.
 Le courant peut-il passer dans un liquide
Certaines solutions sont capables de conduire le courant électrique, on les appelle des électrolytes.
Ce sont alors les ions, présents dans la solution, qui sont porteurs de charge : les cations se dirigent vers la
cathode (reliée à la borne négative du générateur) ; les anions se dirigent vers l’anode (reliée à la borne positive
du générateur.
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L'interaction forte est une interaction attractive importante qui s'exerce sur les nucléons. Contrairement à
l'interaction gravitationnelle et à l'interaction électrique, l'interaction forte augmente avec la distance.
Cependant, c'est une action à courte portée. Elle n’excède pas la taille du noyau.