Interactions fondamentales et champs

Chapitre 6 : Interactions fondamentales et champs
Activité 1 : Interactions fondamentales
Questions :
1. Quelles sont les quatre interactions fondamentales ?
Ces quatre interactions sont :
- L’interaction faible
- L’interaction forte
- L’interaction électromagnétique
- L’interaction gravitationnelle
2. Seulement deux de ces interactions interviennent à notre échelle. Expliquer pourquoi.
Seules l’interaction électromagnétique et l’interaction gravitationnelle sont à notre échelle ; les deux
autres se font à l’échelle microscopique.
3. Pourquoi l’interaction gravitationnelle nous est-elle plus familière que l’interaction
électromagnétique ?
L’interaction gravitationnelle nous est plus familière car on y est soumis en permanence.
4. D’après ce qui a été vu en classe de 2nde, décrire l’évolution de la valeur des forces d’interaction
gravitationnelle s’exerçant entre deux corps lorsque la distance augmente.
L’interaction gravitationnelle diminue lorsque la distance augmente.
5. Compléter le tableau ci-dessous :
6.
Interaction
Portée
Echelle ou édifice
majoritairement concerné
Forte
Noyau de l’atome
Faible
Nucléons
Electromagnétique
Echelle humaine
Gravitationnelle
Echelle humaine
Du noyau de l’atome à la galaxie, de nombreux édifices organisés, de toutes tailles, peuvent être observés. Quatre interactions, appelées
« interactions fondamentales » permettent de comprendre leur cohésion. Quelles sont ces interactions fondamentales ? A quelle(s) échelle(s)
chaque interaction prédomine-t-elle ?
«Dans la conception contemporaine, il faut entendre par force non seulement ce qui pousse, qui tire ou modifie le mouvement, mais aussi tout
ce qui incite au changement, à la métamorphose. La force, ou mieux l’interaction, dans l’acception physicienne, se définit donc comme l’agent
unique de la transformation.
Les forces, en apparence, sont au nombre de quatre : forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. Elles sont hiérarchisées en portée et en
intensité.
A l’échelle du noyau atomique, l’interaction forte domine en intensité toutes les autres, dont l’interaction électromagnétique, laquelle surpasse
l’interaction faible, qui elle-même laisse très loin derrière la minuscule interaction gravitationnelle.
Pourtant, il ne faut pas s’y méprendre, cette hiérarchie microscopique ne reflète en rien l’influence des forces à grande échelle.
La gravitation est sans conteste la force dominante à l’échelle cosmique, parce qu’elle n’est contrebalancée par aucune antigravitation, et que son
intensité, bien que déclinante, s’exerce sans limite de distance. Elle est toujours attractive et de portée infinie.
Les interactions forte et faible, par leur portée minuscule, se sont fait un royaume du noyau de l’atome.
Quant à l’interaction électromagnétique, bien que de portée illimitée, elle ne saurait gouverner le vaste Cosmos car les grandes structures, les
charges positives et négatives, en nombre égal, partout se neutralisent. Cette interaction, attractive ou répulsive, n’est pas pour autant une entité
négligeable : elle a pris possession du vaste domaine laissé vacant entre l’atome et l’étoile, qui inclut le minéral, l’animal, le végétal et l’homme ».
D’après Nostalgie de la lumière, Michel Cassé

Activité 2 : Notion de champ scalaire
Sur cette carte, on représente un champ de
pression, c’est-à-dire que l’on associe à chaque
point de l’espace une valeur de la pression
atmosphérique.
a) Quelle est la valeur de la pression
atmosphérique le long d’une ligne tracée en
marron sur la carte. En quelle unité est-elle
exprimée ?
La pression est comprise entre 995 et 1025 et elle
est mesurée en hectopascal (hPa).
On appelle équipotentielle une ligne (ou une
surface) sur laquelle le champ a la même valeur.
Une équipotentielle de température est appelée
une isotherme.
b) Quel nom spécifique donne-t-on à une équipotentielle de pression ?
On appelle les équipotentielles de pression des isobares.
c) En observant la carte suivante, compléter le teste suivant, qui rend compte des propriétés des
équipotentielles :
Dans le plan, les équipotentielles sont des courbes ouvertes ou fermées, qui ne se croisent jamais. Par
convention implicite, l’écart des valeurs des champs entre deux équipotentielles consécutives est
toujours le même.
Activité 3 : Notion de champ vectoriel
a) Que représente chacune des flèches
sur cette carte de météo marine ? Quels
renseignements donne-t-elle ?
Les flèches représentent les vents et nous
donne une indication sur leur direction,
leur valeur et leur sens.
b) 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 ?
On se déplace le long d’une ligne de champ
c) Entourer une zone m le champ
vectoriel est uniforme

Activité 4 : Champ vectoriel magnétique d’un aimant droit
a) L’intensité du champ magnétique est-elle constante le long d’une ligne de champ ?
L’intensité du champ magnétique n’est pas constante le long d’une ligne de champ.
b) Sachant que le champ magnétique B est tangent aux lignes de champ et sort toujours par le
pôle nord, représentez, sans soucis d’échelle, le vecteur B aux points du champ.
Activité 5 : Champ électrostatique
Définition d’un condensateur plan : Dispositif constitué de deux armatures métalliques planes, en vis-
à-vis, espacées par un milieu non conducteur. Lorsqu’on lui applique une tension U, il se charge. Il en
résulte un champ électrostatique de l’armature + à l’armature -.
Une cuve rhéographique simule un condensateur plan. Les armatures en cuivre, plongées dans l’eau,
sont soumises à une tension   .
Questions préliminaires :
La photo ci-contre représente la cuve rhéographique avec de l’huile saupoudrée
de graines allongées. Observer les lignes de champ électrostatiques entre les
armatures. Elles sont ici matérialisées par des graines allongées.
a) Quelle est la direction des lignes de champ électrostatique et donc la
direction du vecteur champ électrostatique.
Les lignes de champ sont horizontales, perpendiculaires aux armatures.
b) Faire un schéma représentant les deux armatures et tracer quelques lignes de champ.
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 lignes de champ.
+
-

Manipulation :
L’expérience consiste à mesurer la tension entre l’armature reliée à la borne (–) du générateur et un
point quelconque de la cuve.
a) Quelles sont les valeurs de U quand la sonde est au contact de
l’armature positive ? Négative Ces valeurs dépendent-elles du
point de mesure sur les électrodes ?
 et  
Ces valeurs ne dépendent pas du point de mesure sur les électrodes
b) Que remarque-t-on si la sonde est déplacée sur une ligne parallèle
aux deux électrodes ? En déduire la direction des lignes
équipotentielles entre les deux armatures. Que peut-on dire de
leur direction par rapport à la direction des lignes de champ
électrostatiques ?
U ne varie pas si la sonde est déplacée sur une ligne parallèle aux deux électrodes. Les lignes
équipotentielles sont les lignes parallèles aux électrodes ; elles sont perpendiculaires aux lignes de
champ.
c) Mesurer la valeur de la tension U à différentes distances de l’armature négative et compléter
le tableau suivant :
Distance d en cm
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Valeur de U
0
1
2
3
4
5,2
6,2
7,2
8,25
9,5
10,6
d) Tracer U en fonction de d puis donner les caractéristiques et l’équation de la courbe U = f(d)
e) Sachant que U = E × d, retrouver la valeur du champ électrostatique E en   .
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Evolution de la tension en fonction de la
distance
Valeur de U Normale

f) Compléter le schéma en indiquant les armatures positives et négatives et en traçant quelques
vecteurs champs électrostatiques en précisant l’échelle choisie.
Echelle :   
+ -
Activité 6 : Champ de pesanteur
Les maçons utilisent un fil à plomb pour que les murs qu’ils bâtissent soient verticaux. Le lest terminant
le fil subit une force, le poids, qui indique l’existence d’un champ vectoriel : le champ de pesanteur .
En première approximation, il est possible d’assimiler la Terre à une boule homogène de rayon :
   km
Le lest d’un fil à plomb ne subit que la force gravitationnelle exercée par la Terre : cette dernière crée
un champ de pesanteur détecté par le lest.
La direction du champ de pesanteur est confondue avec le fil. C’est une droite qui passe par le centre
de la Terre.
Questions :
a) Compléter les schémas suivants en ajoutant quelques lignes de champs (droites fléchées)
associées au champ de pesanteur :
- Dans une région de petite dimension par rapport au diamètre de la Terre (schéma 1)
- A proximité de la Terre (schéma 2)
Schéma 1
Surface de la Terre
Schéma 2
b) Rappeler l’expression de la valeur force de gravitation exercée par la Terre sur un objet de
masse m posé à sa surface.
c) A la surface de la Terre, cette force est assimilée au poids de l’objet. Rappeler l’expression de
la valeur du poids de l’objet en fonction de m et de g, intensité de pesanteur.
d) En déduire la valeur de g, intensité de pesanteur.