Corrections_1S3_files/TP20 Corrigé
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1S TP20 Comprendre Corrigé TP20 : Notion de champ 1) Historique de la notion et exemple du champ électrostatique (ou champ électrique) 1. C’est l’histoire d’un champ…. Lire attentivement l’activité 2p203 de votre livre puis remplir le tableau suivant avant de répondre aux questions. Dates 1707-1783 1831-1979 Euler Faraday Maxwell Champ de vitesse Champ électrostatique Champ magnétique Nom du physicien Type de champ 1791-1867 2. Cartographie d’un champ électrostatique et représentation des lignes de champ Ouvrir l’animation se trouvant à l’adresse : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/champE.swf Vous complèterez les schémas suivants au fur et à mesure des cas étudiés. $ Figure 1 : champ électrostatique crée par une charge positive ponctuelle Exemple 1 : cas d’une source ponctuelle Placer au centre de l’image (carré gris) une charge positive ; cette charge crée autour d’elle un champ électrostatique. Pour déterminer les caractéristiques de ce champ, placer autour de la charge positive plusieurs « charges test » et visualiser les forces agissant sur ces charges (jouer si nécessaire sur le curseur « échelle »). Rappeler la relation vectorielle (donnée dans le texte p 203) entre le champ électrostatique E et la force subie par une charge test q placée en un point de l’espace et compléter la figure1 ci-contre en représentant sans soucis d’échelle le vecteur champ électrique aux points où se situent les sphères grises. 𝑓 𝐸⃗ = ……………………………………………………………… 𝑞 Sachant que les lignes de champ sont tangentes aux vecteurs champs électrostatiques et qu’elles sont orientées dans le sens du champ électrostatique, dessiner et orienter les lignes du champ sur le schéma 1. Exemple 2 : cas de deux sources ponctuelles de charges opposées Placer dans le carré gris deux charges électriques de signes opposés. Utiliser les charges tests pour déterminer l’allure des lignes de champs et indiquer si les lignes de champ correspondent à celles de la figure 2 ou de la figure 3. Figure 3 Représenter sans soucis d’échelle le vecteur champ électrostatique aux points repérés par des croix. Dessiner et orienter les lignes du champ sur le schéma choisi. Exemple 3 : cas de deux sources ponctuelles de même signe Vérifier avec l’animation que la dernière figure représente le champ crée par 2 charges électriques de même signe. Représenter sans soucis d’échelle le vecteur champ électrostatique aux points repérés par des croix dans le cas où les deux charges sont positives. Dessiner et orienter les lignes du champ. Exemple 4 : champ électrique créé par un condensateur plan Un condensateur plan est constitué de deux armatures conductrices planes, parallèles et face à face, séparées par un isolant. Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. Pour cette raison, c’est l’un des composants essentiels d’un grand nombre de circuits électroniques. Lorsqu’une tension électrique continue est appliquée entre ses armatures, un champ électrostatique est créé entre celles-ci. Observer l’expérience réalisée par le professeur puis répondre aux questions. Compléter le schéma ci-contre en représentant : - les lignes de champ à l’intérieur du condensateur - la force électrique F s’exerçant sur une particule de charge q>0 placée au point A - le champ électrique E au point A Sachant que le champ électrique est UNIFORME à l’intérieur d’un condensateur plan représenter le vecteur E aux points B et C. Orienter les lignes de champ. La valeur du champ électrique dépend de la tension U appliquée aux bornes du condensateur et de la distance d entre les armatures. Parmi les relations suivantes, quelle est celle qui vous semble être la bonne (justifier brièvement votre choix) : E Ud (1) E U d (2) E d U (3) Lorsque la tension augmente, il est logique de penser que la force va augmenter, donc le champ également. Par contre lorsque la distance entre les plaques augmente, la force doit diminuer car la plus la distance entre les charges augmente, plus la force électrostatique est petite. La bonne relation est donc la (2) 2) Exemple de champ scalaire La figure ci-contre est une carte météorologique éditée par Météo France. 1. Donner le nom, le symbole et l’unité de la grandeur physique correspondant aux valeurs numériques figurant sur les lignes de cette carte : C’est la pression P qui est représentée en hPa (hectoPascal). L’unité internationale de la pression est le Pascal. 2. Que représentent ces lignes ? Donner leur nom. Ces lignes relient les points qui ont la même pression : ce sont des lignes isobares 3. Pourquoi la ligne 1015 hPa est-elle tracée en gras sur cette carte météo? Que signifient les lettres D et A figurant sur cette carte ? 1015 hPa est la pression normale ; D correspond à une pression inférieure (dépression) et A à une pression supérieure (anticyclone) 4. Expliquer pourquoi le champ représenté ici est un exemple de « champ scalaire » et non vectoriel. Ce ne sont pas des vecteurs qui illustrent la valeur de champ mais des valeurs 5. Citer d’autres exemples de champs scalaires utilisés en météorologie. Parmi les autres cartes proposées p202 du livre, y en a-t-il une qui présente un champ vectoriel ? Justifiez. …… Champs scalaires : températures et champ vectoriel : vitesse des vents 3) Etude expérimentale de champs magnétiques 1. Établissement de la carte du champ magnétique créé par un aimant droit. On dispose d’une aiguille aimantée et d’un aimant droit. On veut établir sur feuille une carte du champ magnétique créé par cet aimant en traçant des lignes de champ. a) Élaborer un protocole écrit qui permette le tracé et l’orientation de lignes de champ magnétique. Après validation par le professeur, procéder à l’établissement de la carte. Protocole : On dispose l’aiguille aimantée à différents endroits pour voir comment elle s’oriente. Sachant que les aiguilles se disposent tangentes aux lignes de champs, on peut tracer un faisceau de lignes qui correspond au champ magnétique. Carte : b) Après avoir établi cette carte, poser l’aimant sur la plaque contenant plusieurs aiguilles. Vérifier la concordance entre l’indication de cette plaque et la carte que vous avez établie. 2. Champ magnétique créé par un aimant « en U ». En utilisant la plaque contenant les petites aiguilles aimantées, on peut obtenir la carte du champ magnétique crée par un aimant dit « en U ». L’expérience est représentée ci-contre : Sachant que les lignes de champ magnétique sont orientées du pôle nord de l’aimant au pôle sud de l’aimant tracer sans soucis d’échelle quelques vecteur champ magnétique, notés B . Que peut-on dire du champ magnétique à l’intérieur de l’aimant (justifier votre réponse). Le champ magnétique a une direction et un sens constant. Si sa valeur est constante, alors il est uniforme (c’est le cas, on pourrait le vérifier en utilisant un appareil de mesure adéquat –Tesla mètre- qui mesure les valeurs de champ magnétique) 3. Champ magnétique créé par un courant : L’expérience d’Oersted En 1819, Hans Christian Oersted, professeur à l’université de Copenhague, montre pour la première fois qu’un courant électrique est une source de champ magnétique. Il place une boussole ou une aiguille aimantée sous un fil traversé par un courant continu et constate que l’aiguille est déviée. Lorsqu’il change le sens du courant, l’aiguille s’oriente différemment. Il en conclut qu’un courant crée un champ magnétique. Mise en évidence expérimentale : champ créé par une bobine Une bobine est constituée par un enroulement de fil conducteur. a) Placer une petite aiguille aimantée face à l’une des extrémités de la bobine. Noter son orientation. En déduire si l’extrémité en question est le pôle Nord ou le pôle Sud de la bobine. b) A votre avis, que fera l’aiguille si elle est placée face à l’autre extrémité de la bobine ? Vérifier votre prédiction. c) Observer l’effet d’une inversion du sens du courant sur l’orientation de l’aiguille aimantée. Faire un paragraphe de 4-5 lignes qui résume vos trois observations : Lorsqu’on place une aiguille aimantée en face de l’extrémité de la bobine, on remarque que l’aiguille se place suivant l’axe de la bobine. Cette face de la bobine est comme un pôle sud puisqu’elle attire le pôle nord de l’aiguille. On l’appelle face Sud. Placée près de l’autre face, l’aiguille se dispose de la même façon mais ses pôles sont inversés. En changeant le sens du courant, on remarque que l’aiguille inverse sa position, ce qui prouve que le nom des faces dépend du sens du courant dans la bobine. 4. Champ magnétique terrestre Les lignes de champ du champ magnétique terrestre sont données ci-dessous : Paris Iles Galapagos Johannesburg a) Quelle analogie vous inspire la carte du champ magnétique terrestre ? ………Ce sont les mêmes lignes de champ que pour un aimant droit……………………………………………………………………………… b) D’un point de vue magnétique quelle est la nature du pôle Nord géographique ? du pôle Sud géographique ? Les lignes de champ étant orientées du pôle nord au pôle sud, le pôle nord géographique correspond au pôle Sud magnétique c) Au voisinage du sol, le champ magnétique terrestre peut avoir 2 composantes (une composante horizontale et une composante verticale). Quelle est la composante détectée par l’aiguille d’une boussole ? Seule la composante horizontale est détectée par la boussole Attribuer à chacune des situations a, b et c l’une des localisations suivantes : Paris, Johannesburg, les iles Galapagos (iles situées sur l’équateur terrestre). 4) Le champ de pesanteur 1) Dessiner le vecteur poids s’exerçant sur un objet placé aux points repérés sur les photos ci-dessous: 2) Rappeler ce que signifie la relation P=mg étudiée en seconde : Le poids en Newton d’un objet se calcule en multipliant la masse de l’objet (en kg) par une constante g (en N/kg) qui dépend du lieu considéré et qui s’appelle l’intensité de la pesanteur. 3) Visionner l’animation : http://www.nathan.fr/webapps/cpg2-0/?iddoc=NDAyNDM puis répondre aux questions suivantes : Comment peut-on définir le champ de pesanteur ? ……Le champ de pesanteur et un champ vectoriel définit par le vecteur 𝑔 tel que 𝑔 = 𝑃⃗ 𝑚 Quelle propriété possède ce champ dans un domaine restreint au voisinage de la Terre ? ………Au voisinage de la Terre, dans un domaine restreint, la valeur de g étant constante, sa direction et son sens aussi, le champ est uniforme.
