LA PHYSIQUE AUX CHAMPS (CONSIGNES)

Comprendre
9 L
A PHYSIQUE AUX CHAMPS (CONSIGNES)
BUT : Approcher la notion physique de champ
Distinction entre champ scalaire et champ vectoriel
COMPETENCES : APP REA ANA VAL AUT
Adopter une attitude critique et réfléchie vis-à-vis de l'information disponible APP2
Réaliser une série de mesures et relever les résultats (tableau, graphique, …) REA6
Utiliser un logiciel dédié REA7
Formuler une hypothèse et proposer une méthode pour la valider ANA1
Elaborer, choisir et utiliser un modèle adapté ANA2
Extraire des informations des données expérimentales et les exploiter VAL1
Seth Roô-Bihaind est un élève de 1
ère
S passionné de physique e de l’évolution des idées au cours des siècles. Il
s’intéresse particulièrement aux travaux de Newton et Maxwell (il a bon goût Seth …)
1. Aperçu historique
1.1. La Physique de Newton
Jusque dans la première moitié du XIX
ème
siècle, les phénomènes physiques ont toujours été analysés d’un point de vue
mécanique, c’est à dire en termes de forces.
L’interaction gravitationnelle formulée par Newton permet de décrire les mouvements des planètes et améliore la
compréhension de l’Univers, cependant avec un peu de réflexion, l’objection suivante aurait pu être formulée :
"Comment l’objet A sait-il qu’il existe un objet massique B à une distance d de lui ?"
D’ailleurs Newton lui-même est conscient de cette "objection", dans une lettre en 1692, il écrit :
« Que la gravité soit (…) inhérente (…) à la matière, en sorte qu'un corps puisse agir sur un autre à distance au travers du
vide, sans médiation d'autre chose, (…) est pour moi une absurdité dont je crois qu'aucun homme, ayant la faculté de raisonner
(…) puisse jamais se rendre coupable. »
L’éther ("esprit très subtil qui pénètre à travers tous les corps solides" selon Newton) est alors ce support un peu diffus qui
permet au corps A d’agir sur le corps B…
Répondre aux questions du paragraphe 1.1. de la feuille bilan
1.2. Le champ de Maxwell
En 1861, après avoir analysé les travaux Oersted et de Faraday sur l’électricité et le magnétisme, Maxwell crée le concept
fondamental du "champ", abandonnant celui des fluides dans l'éther. Par champ, il désigne une perturbation de l'espace qui, en
chaque point, est un potentiel de force indépendant des corps qui pouvaient s'y trouver. "Le champ disait-il crée une toile à
travers tout le ciel". Son effet peut être gravitationnel lorsque cette force est liée à la Terre, électrique autour d'une charge ou
magnétique autour d'un courant électrique. Ces champs évoluent dans le temps et sont à l’origine de l’existence des ondes. En
dehors des champs, il n’y a pas de force. C'est la raison pour laquelle en dehors du champ électromagnétique d'une station de
radiodiffusion, on ne capte plus du tout ses émissions.
Avec cette notion de champ, Maxwell oublie définitivement les corps matériels, les particules. Le champ permet de décrire
l'espace et de comprendre l'interaction entre les corps. Maxwell donne une fonction à l'espace. Comme le dira Einstein, "cette
théorie était fascinante. Désormais, à l'idée classique de force qui fait jouer un rôle muet à l'espace, le concept de champ
consiste en un processus dans lequel les corps en interaction baignent dans l'espace. Cet espace a la propriété d'interagir avec
les corps".
C’est une véritable révolution, avec Maxwell et la notion de champ, certaines propriétés ne sont plus associées à des objets
mais sont définies en tout point de l’espace.
Répondre à la question du paragraphe 1.2. de la feuille bilan
1.3. La réponse à l’objection
La notion de champ de Maxwell permet-elle de répondre à l’objection faite à Newton ?
Autrement dit, la particule massique B provoque-t-elle par sa présence une modification locale des propriétés de
l’espace qui l’entoure ? La particule A est-elle sensible à cette modification de l’espace ? C’est à cela que Seth
aimerait répondre et il faut l’aider.
2. Mettre un peu la pression
Réaliser les expériences qui suivent dès que le poste est disponible ; dans l'attente, faire la suite du TP.
On souhaite mesurer la pression en différents points de l’espace :
Pour cela placer la capsule manométrique (reliée à un Pressiomètre®) dans
l’aquarium au niveau des différents points repérés par des lettres.
Noter sur la feuille bilan la valeur des pressions affichées
Après avoir disposé la capsule manométrique au niveau d’une des lettres,
changer "l’orientation du capteur" (le centre du capteur devra être maintenu ou
ramené au même niveau) Répondre aux questions du paragraphe 2. de la feuille bilan
3. Faire monter la température
Mesurer la température à la place occupée (A) puis en différents points de la salle :
B : près du ventilateur du bloc d’alimentation de l’ordinateur C : fond de la salle (près de la porte)
D : près du sol E : à bout de bras vers le plafond
A la place occupée, changer l’orientation de la sonde thermométrique (sans changer de place).
Répondre aux questions du paragraphe 3. de la feuille bilan
4. Etre dans le vent
Se connecter à l’ENT puis Ressources/Cours en ligne/Physique-Chimie 1S.
Dans La physique aux champs Ouvrir successivement les 3 cartes (issues d’un site de météo).
Répondre aux questions du paragraphe 4. de la feuille bilan
5. Newton, Maxwell et l’objection
5.1. Oh les billes !
Charger le logiciel Avistep ( Mon espace personnel/Logiciel réseau/Physique/Avistep ).
Sélectionner dans les menus déroulants
Fichier puis Ouvrir choisir alors :
Mes espaces sur contrôleur/Logiciel réseau/Physique/TP1S/Champs/chutes-billes.avi.
Faire défiler ( bouton lecture :  ) l’ensemble de la vidéo.
Revenir au début de la vidéo (
bouton  )
Dans la barre d’outils inférieure, choisir (sélection de l’origine). La faire coïncider avec l’une des deux billes.
Dans la barre d’outils inférieure, choisir (définition de l’échelle). Déterminer celle-ci verticalement ou
horizontalement (la largeur de chaque "carreau" étant 5 cm) Attention, la valeur doit être entrée en mètre.
Sélectionner (marquage) puis dans la barre de menus supérieure, choisir
Mesures>Deux marques par image .
Pointer successivement le centre de chacune des deux billes en prenant soin pour chaque image de toujours
conserver le même "ordre" de pointage.
Une fois le pointage terminer, faire apparaître les tableaux de valeurs (
Résultats puis Tableau des valeurs ) puis
dans le menu déroulant
Affichage choisir accélération . Noter les valeurs a1 (accélération de la bille 1) et a2
(accélération de la bille 2)
Sélectionner
Résultats puis Représentation des vecteurs . Dans le bas de la fenêtre qui s’affiche, choisir
accélération pour le point 1 puis pour le point 2 . Répondre aux questions du paragraphe 5.1. de la feuille bilan
5.2. Vérification par simulation
5.2.1. Objet "isolé" dans l’espace
Sur le Bureau ouvrir le dossier Physique puis charger Dynamic
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Initialiser>Origine (valider par un clic gauche). Placer ensuite le pointeur
en haut à gauche de la partie centrale (encadré jaune), cliquer bouton gauche, une croix de couleur apparaît
(associée à la lettre O ou G), c’est l’origine des mouvements qui seront étudiés.
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Initialiser>Paramètres . Une boîte de dialogue apparaît contenant
plusieurs onglets. (Attention utiliser la virgule et non pas le point du pavé numérique)
onglet
dt , entrer 0,4 onglet m , entrer 1 Ne pas modifier les autres valeurs, valider par OK .
Vérifier dans le tableau en bas à gauche de l’écran les réglages effectués.
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Trajectoire>Options . Dans la liste qui apparaît sélectionner l’icône
correspondant à
grandes croix , valider par OK .
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Trajectoire>Tracé .
Répondre à la première question du paragraphe 5.2.1. de la feuille bilan
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Initialiser>Vitesse>Définir . Placer ensuite le pointeur sur la croix
"origine" (O ou G). Tout en maintenant le bouton gauche enfoncé, faire glisser la souris pour tracer un vecteur
vitesse (quelconque). Relâcher le bouton gauche, le vecteur vitesse créé est tracé.
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Initialiser>Vitesse>Modifier . Dans la boîte de dialogue qui apparaît
entrer
valeur : 4 et angle : 0, valider par OK .
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Trajectoire>Tracé .
Répondre aux autres questions du paragraphe 5.2.1. de la feuille bilan
5.2.2. Objet au voisinage de la Terre
Dans la barre d’outils supérieure, choisir Champ>g .
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Trajectoire>Tracé .
Répondre à la première question du paragraphe 5.2.2. de la feuille bilan
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Initialiser>Vitesse>Modifier . Entrer valeur : 1E-10 et angle : 0, valider
par
OK ( cela crée une vitesse considérée comme nulle).
Dans la barre d’outils supérieure, choisir
Trajectoire>Tracé .
Observer l’alignement éventuel des points (verticalement et horizontalement)
Répondre aux autres questions du paragraphe 5.2.2. de la feuille bilan

Comprendre
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L A P HYSIQUE AUX C HAMPS (B ILAN )
1. Aperçu historique
1.1. La Physique de Newton
En utilisant les connaissances de 1
ère
S et de 2
nde
répondre aux deux questions suivantes :
1.1.1. Rappelez l’expression de la force gravitationnelle, décrite par Newton, exercée par un objet A de masse M, séparé par
une distance d d’un objet B de masse m.
1.1.2. Au voisinage de la Terre, la force gravitationnelle peut-être assimilée au poids du corps. Rappeler l’expression donnant
le poids d’un objet de masse m. Donner la valeur de la constante utilisée dans cette expression.
En utilisant le texte du paragraphe 1 répondre aux deux questions suivantes :
1.1.3. Qu’est-ce que selon Newton on ne peut raisonnablement imaginer ?
1.1.4. Qu’est-ce qui permet d’éviter cet écueil ?
1.2. Le champ de Maxwell
1.2. En quoi le concept de Maxwell est une révolution ?
2. Mettre un peu la pression
P
A
= P
B
= P
C
=
P
D
= P
E
= P
F
=
P
G
=
2.1. La pression est-elle la même en tout point du liquide ?
2.2. Quel résultat obtenu en 2
nde
retrouve-t-on ?
2.3. Quand on se place en un point donné de l’aquarium, la mesure est-elle modifiée lorsque l’on change l’orientation du
capteur ?
2.4.
La détermination de la pression en n’importe quel point de l’aquarium permet de connaitre le champ de
pression de l’aquarium.
Parmi les propositions suivantes, quelle phrase est la mieux adaptée pour expliquer la notion de "champ de pression" ?
Connaître un champ de pression, c’est savoir s’il va pleuvoir.
Connaître un champ de pression, c’est connaître la valeur de P en chacun des points de l’espace.
Connaître un champ de pression suffit à prévoir la profondeur maximale qu’un plongeur en apnée peut atteindre.
Un champ de pression est une quantité d’eau dans laquelle on peut mesurer la pression avec un manomètre.
3. Faire monter la température
place : θ
A
= ventilateur ordi : θ
B
= fond de la salle : θ
C
=
sol : θ
D
= plafond : θ
E
=
3.1. La température est-elle la même en tout point de la salle ?
3.2. Quand on se place en un point donné de la salle de classe, la mesure est-elle modifiée lorsque l’on change l’orientation du
capteur ?
3.3.
La détermination de la mesure en n’importe quel point de la salle permet de connaitre le champ de température
de la salle.
Parmi les propositions suivantes, quelle est la mieux adaptée pour expliquer la notion de "champ de température" ?
Un champ de température est un pré sur lequel on peut mesurer la température avec un thermomètre.
Connaître un champ de température, c’est connaître la température en chacun des points de l’espace.
Connaître un champ de température, c’est savoir s’il fera beau demain.
4. Etre dans le vent
4.1.1. Identifier dans ces trois cartes celle qui correspond à un champ de pression.
4.1.2. Dans quelle région de France, pour la date étudiée, la pression est-elle la plus élevée ? La plus faible ?
4.2.1. Identifier dans ces trois cartes celle qui correspond à un champ de température
4.2.2. Dans quelle région de France, pour la date étudiée, fait-il le plus chaud ? Le plus froid ?
4.3. Quelles indications apporte la troisième carte ?
4.4. En quoi est-elle foncièrement différente des précédentes ?
4.5. Dans quelle région de France, pour la date étudiée, les vents sont-ils les plus forts ? les plus faibles ?
4.6. On parle en physique de champ scalaire et de champ vectoriel, à quelle catégorie se rattache chacune des cartes
précédentes ?
5. Newton, Maxwell et l’objection
5.1. Oh les billes ! a1 = a2 =
5.1.1. Que peut-on dire (aux erreurs expérimentales près) des valeurs a1 et a2 ?
5.1.2. De quelle valeur connue se rapprochent les valeurs a1 et a2 ?
5.1.3. Quelle est (aux erreurs expérimentales près) la direction et le sens de l’accélération a1 ?
5.1.4. Même question pour l’accélération a2 ?
5.1.5. Au total qu’on en commun (aux erreurs expérimentales près) les accélérations a1 et a2 ?
5.1.6. En supposant que la modification des mouvements est due au champ de pesanteur, celui-ci est-il un champ scalaire ou
un champ vectoriel ? Argumenter.
5.1.7. On parle de champ de pesanteur ou champ g. Proposer une explication
5.2. Vérification par simulation
5.2.1. Objet "isolé" dans l’espace
5.2.1.1. Quel est le premier mouvement du point ?
5.2.1.2. Quel est le nouveau mouvement du point ?
5.2.1.3. Quel principe vu en seconde justifie les deux résultats précédents ? Enoncer le.
5.2.2. Objet au voisinage de la Terre
5.2.2.1. Quel est le premier mouvement du point ?
5.2.2.2. Quel est le nouveau mouvement du point ?
5.2.2.3. Sur quelle direction du mouvement du point se fait sentir l’effet du champ g ?