Objectifs

I.- LES INTERACTIONS FONDAMENTALES
Objectifs
Dans cette partie introductive, il s’agit de poursuivre la mise en place, entamée en classe de seconde, des
différents niveaux de structuration de la matière, du niveau microscopique au niveau macroscopique, en
précisant lesquelles sont les interactions dominantes à chaque échelle. Plus précisément, on illustre ici les
deux idées suivantes :


La diversité de la matière : noyau, atomes et molécules, phases condensées ou gazeuses, organismes
vivants, systèmes astronomiques, résultent de l’arrangement de trois “briques” de base, considérées au
lycée comme particules élémentaires, les protons, les neutrons et les électrons,.
La cohésion de ces assemblages est assurée par trois interactions fondamentales ;
- l’interaction forte, attractive et de courte portée, qui contrebalance la répulsion entre protons et
assure ainsi la cohésion des noyaux jusqu’à l’uranium ;
- l’interaction électromagnétique qui, par son aspect électrique, est responsable de la cohésion des
atomes, des molécules et des phases condensées ;
- l’interaction gravitationnelle qui, bien que d’intensité beaucoup plus faible que les autre, gouverne
la structure de la matière à grande échelle, car elle est de longue portée et toujours attractive.
L’interaction gravitationnelle a déjà été présentée en classe de seconde.
De l’interaction électromagnétique, seul l’aspect électrique est ici présenté. L’interaction entre charges
électriques peut être l’occasion de prolonger ce qui a été vu en seconde concernant la gravitation à l’échelle
des objets célestes, tout en montrant que ce n’est pas toujours la masse qui est à l’origine des forces.
Une approche expérimentale des phénomènes d’électrisation permet de justifier l’existence de deux types
de charges et de préciser la nature attractive ou répulsive de leur interaction. Lorsqu’on parle
d’électrisation, le mot est pris dans un double sens : arrachage ou apport d’électrons -électrisation par
contact-, et déplacement interne de charge -phénomènes de polarisation-. Dans ce dernier cas, on se
contente d’interpréter qualitativement les phénomènes par une distorsion locale de la distribution de
charges.
On indique, en prenant divers exemples (tension d’un fil, résistance mécanique de la matière ressort…) que
l’interaction électromagnétique est largement responsable de la cohésion de la matière à notre échelle, y
compris la cohésion de la matière vivante.
On interprète qualitativement par l’interaction forte le fait que le noyau résiste à la forte répulsion entre
protons. On fait remarquer que lorsque le nombre de charges augmente, la répulsion électromagnétique
finit par l’emporter.
La prédominance habituelle de l’interaction gravitationnelle sur Terre est expliquée par la quasi neutralité
électrique des objets macroscopiques et par la grande masse de la Terre.
Bibliographie
Jensen P., Entrer en matière ; les atomes expliquent-ils le monde ?, Paris, Seuil, 2001.
23
UNE PROPOSITION DE PROGRESSION
Activités en classe entière (HCE) : 3 h
Nature
séance
de
HCE 1h30
Fiche 1
la Titre
Rappels de seconde.
Les
quatre
interactions
fondamentales
Fiche 2
TP 2h
Fiche 4
Fiche 5
Contenus
Exemples d'activités
Les particules élémentaires de
l’atome.
La charge élémentaire.
Comparaison des quatre interactions
fondamentales, diu point de vue de
leur
intensité, portée, champ
d’action …. Lien entre les forces
telles qu’on les perçoit à notre
échelle (par ex. réaction d’un
support)
et
l’interaction
électromagnétique.
Expression de la valeur des
interactions de gravitation et
électromagnétique.
Quelques
calculs de valeurs à différentes
échelles de ces deux interactions.
Etude documentaire sur les quatre
interactions fondamentales (F1 : texte
de Michel Cassé)
Similitudes et différences entre force
de gravitation et force électrique
(F2 : comparaison entre les interactions
électriques et gravitationnelles)
L’électrisation
Conception,
réalisation
et F3 : travail à partir du texte de Dufay
interprétation
d’expériences
d’électrisation.
Interprétation de l’électrisation par
frottement. Charges électriques,
transfert d’électrons.
Attraction et répulsion.
Isolants
et
conducteurs.
Porteurs de charges.
Interactions
fondamentales
et
cohésion
de
la
matière.
Correction du TP et prolongements
: mobilité des porteurs de charge
dans un conducteur ; immobilité
dans la cas d’un isolant. Explication
de la découverte de l’électricité par
frottement bien avant celle de la
conduction.
Exploitation d’un travail à la
maison
demandé
au
cours
précédent : la cohésion de la
matière à l’échelle atomique, à
l’échelle « humaine », à l’échelle
atomique.
Fiche 3
HCE 1h30
Séance de travaux pratiques (TP) : 2h
24
Etude de texte historique sur la
conduction
électrique
(F4
:
électrique/non électrique)
Travail de groupe sur le diagramme
Z,N (F5 )