Cours - PhyZik

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Chapitre 13
Champs et forces
DI – Halte au gel
I – Qu’est-ce qu’un champ ?
1) Définition
Un champ est une grandeur physique (ex : température, pression, vitesse…) associée à chaque point de l’espace
considéré.
2) Comment caractériser un champ ?
 Si la grandeur physique est complètement décrite par sa valeur (ex : température) dite scalaire, alors le champ
est scalaire.
 Dans d’autres cas, la grandeur physique doit être précisée en direction et en sens. Elle est donc définie par un
vecteur (ex : vitesse). C’est un champ vectoriel.
Rq :
Un vecteur ⃗⃗⃗⃗⃗
𝐴𝐵 est caractérisé par :
Sa direction, la droite 𝐴𝐵 ;
Son sens de 𝐴 vers 𝐵 ;
Sa norme la longueur du segment 𝐴𝐵.
Lignes de champ : C’est la ligne tangente en chacun des points du vecteur champ. Elle peut être orientée par une
flèche dans le même sens que celle du vecteur champ associé.
Champ uniforme : C’est le cas où la grandeur physique associée (scalaire ou vectorielle) est constante en tout point
de l’espace considéré.
II – Champ magnétique
Acti – Champ magnétique
1) Définition
Un champ magnétique est issu de courants électriques (comme un électron en orbite autour du noyau).
⃗ et s’exprime en Tesla T.
Il est noté 𝐵
⃗ 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒 = 5. 10−5 𝑇, 𝐵
⃗ 𝑎𝑖𝑚𝑎𝑛𝑡 𝑑𝑟𝑜𝑖𝑡 = 10−2 𝑇 et 𝐵
⃗ é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜 𝑎𝑖𝑚𝑎𝑛𝑡 = 10𝑇
Ex : 𝐵
2) Caractérisation
Ce champ vectoriel peut être décrit à l’aide d’une boussole qui donne sa direction et son sens.
S
⃗
N 𝐵
Son intensité est donnée à l’aide d’un teslamètre.
III – Champ électrostatique
Acti – Champ électrostatique
1) Définition
Entre deux objets ou particules chargés différemment, un champ
électrostatique est créé.
Il est noté 𝐸⃗ et s’exprime en Volts par mètres V.m-1.
Ex : 𝐸⃗𝑑𝑖𝑠𝑟𝑢𝑝𝑡𝑖𝑓 𝑑𝑒 𝑙′𝑎𝑖𝑟 = 3600 𝑘𝑉. 𝑚−1
2) Caractérisation
Ce champ vectoriel peut être identifié à proximité d’une particule
électrisée. Celle-ci est soit attirée, soit repoussée.
Le champ électrostatique 𝐸⃗ crée donc une force électrostatique 𝐹 sur cette particule.
Le sens de 𝐹 dépend du signe de la charge 𝑞 de la particule.
𝐹
𝐸⃗ = 𝑞
Exemples : Lignes de champ électrostatique (à l’aide de la machine de Whimshurst pour avoir une différence de
potentiel élevée)
Entre deux plaques chargées
Entre un fil et un anneau
IV – Champ de pesanteur
1) Etude du champ de gravitation
𝑚 .𝑚
Rappel : Deux objets massiques A et B exercent l’un sur l’autre une force gravitationnelle : 𝐹 = 𝐺. 𝐴𝑑2 𝐵
Objet
Terre
𝐹𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒⁄
𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡
Le champ de gravitation 𝒢 est tel que : 𝒢 =
Au niveau du sol : 𝒢 = 𝐺.
𝐹
𝑚𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡
donc 𝒢 = 𝐺.
= 𝐺.
𝑀𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒 . 𝑚𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡
𝑑2
𝑀𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒
𝑑2
𝑀𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒
𝑅𝑇 2
Ce champ gravitationnel est vectoriel et toutes les lignes de champ sont
orientées vers le centre de l’objet qui est à l’origine de ce champ.
2) Champ de pesanteur
Le poids d’un objet noté 𝑃⃗ correspond à l’action mécanique provoquée par ce champ de pesanteur.
𝑃⃗ = 𝑚𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡 . 𝑔
Le poids peut être assimilé à la force gravitationnelle en première approximation : 𝑃⃗ = 𝐹 (mais du fait de la rotation
de la Terre, il y a un petit décalage du à une contribution dite « centrifuge »)
Donc :
𝒢=𝑚
𝐹
𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡
=𝑚
𝑃⃗
𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡
=𝑔
Pour la Terre et au niveau du sol : 𝑔 = 𝒢 = 𝐺.
5,98.1024
𝑀𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒
𝑅𝑇 2
=
6,67. 10−11 . (6375.103 )2 = 9,81 𝑚. 𝑠 −2
Le champ de pesanteur local 𝑔 est uniforme et vectoriel orienté vers
le centre de la Terre.
Acti – Mesure du champ de pesanteur
Exemples de champs :
Nom du champ
Température
Vitesse
Pression
Pluviosité ou précipitation
Pesanteur
Concentration molaire d’un
polluant donné dans l’atmosphère
Électrique
Altitude
Magnétique
Masse volumique
Potentiel électrique
Nature du champ : scalaire
ou vectoriel
Scalaire
Vectoriel
Scalaire
Scalaire
Vectoriel
Scalaire
Vectoriel
Scalaire
Vectoriel
Scalaire
scalaire
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