Interactions fondamentales - Document sans

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Interactions fondamentales
I.
Introduction :
La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la Nature. Son champ est néanmoins plus
restreint : elle décrit de façon à la fois quantitative et conceptuelle les composants fondamentaux de l'univers, les
forces qui s'y exercent et leurs effets.
Elle développe des théories en utilisant l'outil des mathématiques pour décrire et prévoir l'évolution d'un système.
Cette science n'accepte comme résultat que ce qui est mesurable et reproductible par expérience. Celle-ci permet
de valider ou d'infirmer une théorie donnée.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Physique
II.
Différents types d’interaction :
Où en est la recherche fondamentale ?
Pour valider les différents modèles prévus par les théoriciens, les expériences à réaliser mettent des quantités
d’énergie de plus en plus importantes. Par exemple, pour étudier les forces nucléaires impliquées dans
l’interaction forte entre les quarks constituants les protons et les neutrons, il faut réunir l’énergie nécessaire
pour vaincre cette interaction. C’est ce qu’on réalise dans des accélérateurs de particules comme le LHC (large
hadron collider) au CERN à Genève et qui a permis cet été de confirmer l’existence du boson de Higgs, particules
permettant d’expliquer les différences entre les masses des particules élémentaires.
Nous nous intéresserons plus particulièrement à :
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Interaction gravitationnelle
(Gravitation Universelle selon Newton)
Interaction électrostatique
Interaction magnétique
Interaction forte
Interaction faible
III.
Permet d’expliquer…
Mouvement des planètes, des galaxies…
Mouvement des objets dans le champ de pesanteur
Phénomènes électrostatiques simples (orages)
Champ électrostatique (créé par des charges statiques) ; lignes de
champ électrique et spectre
Liaison des atomes dans les molécules
Liaison des ions dans un composé ionique
Interaction entre soluté et solvant
Champ magnétique (créé par des charges en mouvement) ; lignes
de champ et spectre
Intervient entre les quarks constituants des protons et les neutrons ;
de type attractive
L’interaction forte permet la cohésion des noyaux atomiques en
liant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau. Si
cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas être
stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion
électrostatique des protons entre eux.
n'est connue que depuis quelques décennies. Elle est une
interaction à courte portée, ce qui explique le confinement de ses
effets à l'intérieur des protons et des neutrons, entre les quarks
qui constituent eux-mêmes ces particules. Elle se manifeste lors
de la transmutation d’un neutron en proton, ce qui intervient
dans la radioactivité β.
Comment modéliser une interaction ?
1. Document Nostalgie de la lumière, Michel Cassé, 1987 :
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.
Questions :
a. Extraire du texte une définition de la notion de force.
b. Quel outil mathématique peut-on utiliser pour modéliser une force ? Justifier.
c. Combien de forces interviennent dans l’interaction entre deux objets A et B ? Que pensez-vous de ces
forces ?
En utilisant les forces (à définir ; qui agit sur qui ?), faire les schémas correspondant à
 une interaction de type attractive
 une intercation de type répulsive
IV.
3
Modélisation des interactions électrostatiques et gravitationnelles (théorie classique) :
L’interaction électrostatique :
Interaction gravitationnelle
Charge électrique :
La masse :


La masse d’un corps traduit la quantité de matière que contient ce corps.
On peut aussi la définir comme un coefficient, caractéristique de chaque particule, qui
détermine le comportement de la particule quand elle interagit avec d’autres particules
La masse se mesure en kilogramme (kg)





La charge électrique est un coefficient caractéristique de chaque particule, qui détermine
l’intensité de ses interactions électrostatiques avec les autres particules.
Il existe deux types de charges électriques définis par rapport au type d’interaction: les
charges positives et les charges négatives. Il y a répulsion entre deux charges de même
signe et attraction entre deux charges de signes opposés.
La charge se mesure en Coulomb (C).
La charge élémentaire e est la plus petite charge électrique que puisse porter une
particule. Sa valeur est e=+/-1,6.10-19C.
Toute autre charge électrique est un multiple de la charge élémentaire.
Loi de la gravitation :
Loi de Coulomb :
Dans le vide, deux corps A et B, séparées par une distance r = AB et de masses respectives m A et
mB, sont soumises à deux forces directement opposées, dont l’intensité est proportionnelle au
produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare ces masses.
Dans le vide, deux particules A et B, séparées par une distance r = AB et portant respectivement
les charges qA et qB, sont soumises à deux forces directement opposées, dont l’intensité est
proportionnelle au produit des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui
sépare ces charges.

Si qA et qB de signes opposés :
A
A
B

B
Si qA et qB de même signe :
A
B
Expression de l’intensité des forces :
Expression de l’intensité des forces :
Calculer l’intensité de la force d’interaction qui existe entre la Terre et la Lune.
On donne :
Masse de la Terre : MT = 6,00.1024kg
Masse de la Lune : ML = 7,2.1022kg
Distance Terre – Lune : d = 380 000 km
Calculer l’intensité de la force d’interaction qui existe entre le noyau d’un atome d’or et un de ses
électrons périphérique. On donne :
Numéro atomique de l’or :
Z = 79
Rayon atomique de l’or : r = 410-14 m
Charge du porton :
qp = +e = 1,610-19C
Charge de l’électron :
qe = – e = – 1,610-19 C
V.
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Comparaison des différentes interactions :
1. Document Nostalgie de la lumière, Michel Cassé, 1987 :
Les forces, en apparence, sont au nombre de quatre : forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle.
Les quatre forces sont spécifiques, hiérarchisées en portée et en intensité.
L’interaction forte domine en intensité toutes les autres, dont l’interaction électromagnétique (d’où son nom), laquelle
surpasse l’interaction faible, qui elle-même laisse très loin derrière la minuscule force de gravitation.
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.
Les interactions forte et faible, de 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 sont neutres d’un point de vue ’électrique. En effet, les charges électriques plus et moins, en nombre
égal, partout se neutralisent. Ce n’est pas pour autant une entité négligeable : la force électromagnétique 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.
Questions :
a. Compléter le tableau en utilisant les informations du texte.
Interaction
Portée
Comparaison
Intensité
forte
10-15 m
1
électromagnétique
infinie
10-2
gravitationnelle
infinie
10-40
faible
10-17 m
10-6
Champ d’action
Radioactivité β
b. A quoi sert la 3ème colonne du tableau ? Expliquer l’attribution des valeurs y figurant.
c. Expliquer pourquoi deux protons d’un même noyau ne se repoussent pas. On rappelle que la taille du
noyau d’un atome est de l’ordre de grandeur de 10-15m.
d. Deux seulement de ces interactions fondamentales interviennent à notre échelle : pourquoi ?
Pourquoi une seule nous est-elle vraiment familière ?
VI.
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Applications :
1. Question : Quel type d’interaction intervient dans les phénomènes suivants :
a. Chute d’une balle
b. Production de chaleur dans le cœur d’une centrale
atomique
c. Production de chaleur à partir d’un réchau à gaz
d. Production de lumière dans le Soleil
e. Production de lumière dans une lampe à filament
f.
g.
h.
i.
j.
Mouvement d’un satellite sur son orbite
Production de lumière (domaine du visible)
Production de rayons gamma (Rγ)
Réactions chimiques
Réactions nucléaires
2. On a marché sur la Lune :
Le but de l’exercice est d’exploiter les dialogues associés à quelques images extraites de l’album d’Hergé « On
a marché sur la Lune », édité pour la première fois en 1953.
MT
en considérant que le poids d’un corps de masse m s’apparente à la force
r2
gravitationnelle exercée par la Terre sur ce corps, lorsque le corps est à la distance r du centre de la
Terre.
En déduire une expression de la pesanteur gT (ou gravité) à la surface de la Terre.
Dans l’image 4, à quelle force Tintin et le capitaine Haddock sont-ils soumis ?
Exprimer la pesanteur gL qui intervient dans l’expression de cette force.
Montrez que :
g T M T .RL2

où MT est Masse de la Terre et ML est la masse de la Lune
g L M L .RT2
g
En utilisant l’image 6, donner la valeur du rapport T .
gL
En déduire la masse de la Lune sachant que :
MT = 6,0.1024 kg
RT = 6,4.106 m
RL= 1,6.106 m
a. Montrer que g G
b.
c.
d.
e.
f.
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3. Entre la Terre et la Lune :
On considère une navette spatiale entre la Terre et la Lune.
On donne :
Masse de la Terre : MT = 6,00.1024kg
Masse de la Lune : ML = 7,2.1022kg
Distance Terre – Lune : d = 380 000 km
a. Représenter sur le schéma les forces FT et FL exercées respectivement par la Terre et par la Lune sur la
navette.
Terre
Lune
Navette
d0
?
d
b. Soit d0 la distance à laquelle se trouve la navette de la Terre.
Exprimer la force exercée par la terre sur la navette.
c. A quelle distance se trouve la navette de la Lune ?
Exprimer la force exercée par la Lune sur la navette.
d. On considère qu’au point considéré, les deux forces exprimées plus haut ont la même valeur.
2
 d d 0 
 en fonction de MT et ML. Calculer ce rapport.

 d0 
Exprimer le rapport 
e. En déduire la valeur de la distance d0.
4. Interaction dans un cristal de chlorure de sodium :
Le cristal de chlorure de sodium est constitué d’un empilement ordonné d’ions. Les ions Cl- sont aux sommets de
cubes contigus d’arête a et aux centre de chaque face de ce cube. Les ions Na + sont situés au milieu de chaque
arête et au centre de chaque cube.
a. Exprimer en fonction de a les plus petites distances entre les centres de :
 deux Cl deux Na+
 un Cl- et un Na+
b. Exprimer en fonction de a et e (quantité d’électricité élémentaire)
la force électrique entre :
 deux Cl- les plus proches
 un ion Cl- et un ion Na+
c. Quel type de force maintient la cohésion du cristal ?
Na
-
Cl
+