TP 2 - Champ de pesanteur - Physique

Thème 2 : Comprendre Chapitre 6
TP 2 - Champ de pesanteur
I - Quelques questions pour se remettre dans le bain
1. Le champ représenté sur cette carte est un champ
Carte des vents sur le quart Nord Ouest de la France le 3 octobre 2009
2. On parle de champ des vitesses du vent car
□ la grandeur représentée est un vecteur.
□ car en tout point d'une région de l'espace on peut définir un vecteur "vitesse de déplacement de l'air par
rapport au sol".
□ car l'intensité du vent varie d'un point à l'autre de la carte.
□ car n'importe où sur la carte, une grandeur physique vectorielle, la vitesse du vent, peut être définie.
3. Comme autre exemple de champ on pourrait citer
□ le champ de pression dans un fluide ;
□ le champ de température dans une pièce ;
□ le champ magnétique créé par la Terre ;
□ le champ électrique créé par un aimant.
4. Dans un lac, on mesure la température en fonction de la profondeur.
□ On cartographie ainsi un champ scalaire.
□ On cartographie ainsi un champ vectoriel.
□ On cartographie ainsi un champ uniforme.
□ On cartographie ainsi les lignes du champ de température.
5. On parle d'un champ magnétique uniforme dans une région de l'espace si tous les vecteurs champ magnétique dans
cette région de l'espace ont :
□ la même direction.
□ la même direction et le même sens.
□ la même direction, le même sens, et la même norme (c'est-à-dire que la grandeur physique représentée a la
même intensité partout).
□ une norme qui ne change pas d'un point à un autre (c'est-à-dire que la grandeur physique représentée a la
même intensité partout).
6. Les seules sources de champ magnétique qui existent sont les aimants.
□ Vrai
□ Faux
7. Le champ magnétique créé par l'aimant ci-dessous
8. Une ligne de champ d'un champ vectoriel (par exemple d'un champ magnétique) :
□ est une ligne qui permet de connaître la direction du vecteur champ le long de cette ligne.
□ est la courbe tangente en chacun de ses points aux vecteurs du champ.
□ est une courbe orientée.
□ une courbe qui permet de connaître le sens du vecteur champ en chacun de ses points.
□ scalaire.
□ de flèches.
□ numérique.
□ vectoriel.
□ pointe vers le pôle nord au point A
□ a une intensité plus grande au point C qu'au
point B
□ a la même direction au point D et au point E
□ pointe vers le pôle sud au point D

9. Sur l'image ci-contre, on a tracé les lignes du champ magnétique créé par un aimant :
□ A est le pôle Nord de l'aimant
□ B est le pôle Nord de l'aimant
□ on ne peut pas savoir quel pôle est le pôle Nord de l'aimant
□ les lignes de champ sont mal orientées.
10. Un champ électrique
□ est toujours créé par un électroaimant.
□ est créé par des charges électriques.
□ n'existe qu'aux points où se situent des charges électriques.
□ est noté généralement 
.
11. On place une charge électrique A dans un champ électrique :
□ sur cette charge électrique, il s'exercera une force électrique 
 dont l'intensité sera proportionnelle à la valeur
de cette charge électrique qA.
□ sur cette charge électrique, il s'exercera une force électrique 
 dont l'intensité sera proportionnelle à la valeur
du champ électrique mise au carré.
□ si qA > 0, la force exercée sur A sera orientée dans la même direction et le même sens que la force électrique
.
12. Le champ électrique mentionné à la question précédente est créé par une charge électrique B.
□ la force électrique 
 exercée par B sur A n'est pas la même force que la force électrique mentionnée à la
question précédente.
□ La force électrique exercée par B sur A vaut 
où 
 est un vecteur unitaire dirigé de B vers A
(voir ci dessous) et k une constante
□ Le champ électrique en A vaut 
□ Le champ électrique en A vaut 
13. On a cartographié le champ créé par 3 charges électriques (symbolisées par des
boules). Les lignes de champ obtenues sont les suivantes :
□ La charge électrique au centre est une charge positive.
□ Toutes les charges électriques sont de même signe
□ La charge électrique tout à gauche et la charge électrique tout à droite sont
de même signe.
□ La charge électrique tout à droite est une charge positive.
II - Champ gravitationnel
14. On considère deux masses A et B de masses respectives mA et mB avec mA < mB
□ A exerce une force sur B
□ B exerce une force sur A
□ l'intensité de la force exercée par B sur A est supérieure à celle exercée par A sur B.
□ l'intensité de la force exercée par B sur A est proportionnelle à la distance qui sépare le centre de gravité de A
et le centre de gravité de B.
15. Une masse crée un champ gravitationnel. En vous appuyant sur la façon dont est défini le champ électrique,
expliquer, à votre avis, comment on peut définir ce champ gravitationnel.
16. Le champ gravitationnel créé par une masse est un champ
□ scalaire
□ vectoriel
17. En vous appuyant sur la façon dont est défini le champ électrique, dessiner l'allure des lignes de champ du champ
gravitationnel créé par la Terre.

Calculs d'ordre de grandeur
Donnée : G = 6,67 × 10--11 N.kg-2.m2
18. Calculer l'ordre de grandeur de la force gravitationnelle exercée par un humain de masse m1 = 62 kg sur un autre
humain de masse m2 = 76 kg, situés à une distance de 106 m l’un de l’autre.
19. La Lune orbite à une altitude de l'ordre de 3,8 × 105 km. La masse de la lune est d'environ 7,36 × 1022 kg. La masse de
la Terre vaut environ 5,98 × 1024 kg.
Quel est l'ordre de grandeur de l'intensité de la force gravitationnelle exercée par la Lune sur la Terre ?
20. Les deux satellites GRACE servent à effectuer des mesures de gravimétrie.
La masse de chacun de ces satellites est de 487 kg.
Ils orbitent à une altitude de 250 km. En première approximation, le rayon de la Terre vaut 6,38 × 103 km.
La masse de la Terre vaut environ 5,98 × 1024 kg.
Quel est l'ordre de grandeur de l'intensité de la force gravitationnelle exercée par la Terre sur l'un des satellites lorsque
le satellite est au sol et qu'il n'a pas encore été placé en orbite ?
III - Lien entre champ gravitationnel et champ de pesanteur
Un fil à plomb est un outil constitué d'une masse suspendue à un fil (voir schéma ci-contre) utilisé en
maçonnerie pour vérifier la verticalité d'une cloison.
On s'intéresse à la masse suspendue au bout du fil.
21. Quelles sont les forces qui s'appliquent sur la masse ?
22. Préciser les caractéristiques de ces forces : direction (ou droite d'action) ; sens ; point d'application ;
intensité.
23. En vous appuyant sur le texte ci-dessous (Texte adapté de l'article Pesanteur de Wikipédia), dire si les affirmations
suivantes sont vraies ou fausses et corriger les si elles sont fausses.
a) La direction donnée par le fil à plomb passe par le centre de la Terre. □ Vrai □ Faux
b) Le poids auquel est soumis un objet est essentiellement dû à la force gravitationnelle exercé sur l'objet par la
Terre. □ Vrai □ Faux
c) Le champ de pesanteur d'un astre est parfaitement confondu avec le champ gravitationnel de cet astre.
□ Vrai □ Faux
d) Le champ de pesanteur est défini par la relation   
. □ Vrai □ Faux
e) La direction du champ de pesanteur permet de définir la verticale en un endroit donné.
□ Vrai □ Faux
Adapté de l'article Pesanteur de Wikipédia (consultation le 01/03/2014)
Le champ de pesanteur noté  est le champ attractif qui s'exerce sur tout corps matériel (donc doté d'une masse) au
voisinage de la Terre1a ou d'une autre planète. Il est généralement appelé plus simplement pesanteur1b. Il s'agit d'un champ
d'accélération dont l'intensité, à la surface de la Terre à l'altitude 0, vaut approximativement2 9,81 m.s-2 (ou 9,81 N/kg).
Selon la théorie de la gravitation universelle de Newton, à tous les corps massifs, dont les corps célestes et la Terre,
est associé un champ de gravitation (ou gravité) responsable d'une force attractive sur les autres corps massiques.
L'essentiel de la pesanteur est d'origine gravitationnelle, c'est-à-dire qu'elle est due à l'attraction mutuelle entre corps
massifs. Toutefois, le fait que la pesanteur terrestre soit définie dans le référentiel terrestre et que la Terre soit en rotation
autour de son axe introduit une correction sous la forme d'une accélération d’entraînement axifuge (ou "centrifuge").
La force à laquelle est soumis un corps en raison de la pesanteur est appelée poids de ce corps et est directement
reliée à la pesanteur par sa masse ; son unité de mesure est le newton, comme pour toute force. Cette force permet de
définir la notion de verticalité : on observe qu'en un lieu donné tous les corps libres tombent en direction du sol suivant la
même direction appelée verticale du lieu1c. Du fait de la rotation de la Terre, la direction du champ de pesanteur, qui
permet de définir la verticale, ne passe généralement pas par le centre de la Terre.
La gravimétrie est la mesure des variations et des irrégularités de la gravité ; toutefois, celle-ci n'est pas directement
mesurable : il faut d'abord mesurer la pesanteur et affecter celle-ci des corrections nécessaires, tels les effets dus à la
rotation de la Terre ou les effets dus aux marées – le déplacement des masses d'eau produit des variations périodiques de
la pesanteur. Les mesures gravimétriques permettent de décrire l'inégale distribution des masses à l'intérieur de la Terre
qui induit des irrégularités de la pesanteur selon le lieu.
Cette définition de la pesanteur est généralisable aux autres planètes : on parle, par exemple, de pesanteur de Mars.
Références:
1- a, b et c : Élie Lévy, Dictionnaire de Physique, Presses universitaires de France, Paris, 1988, page 601.
2 - (en) BIPM: Declaration on the unit of mass and on the definition of weight; conventional value of gn [archive]