Les interactions fondamentales

Les interactions fondamentales
Objectifs
Dans cette partie introductive, il s’agit de poursuivre la mise en place, entamée en classe de
seconde, des différents niveaux de structuration de la matière, du microscopique au
macroscopique, en précisant lesquelles sont les interactions dominantes à chaque échelle. Plus
précisément, on illustre ici les deux idées suivantes :
La diversité de la matière : noyau, atomes et molécules, phases condensées ou gazeuses,
organismes vivants, systèmes astronomiques, résultent de l’arrangement de trois “briques” de
base, considérées au lycée comme particules élémentaires, les protons, les neutrons et les
électrons,.
La cohésion de ces assemblages est assurée par trois interactions fondamentales ;
- l’interaction forte, attractive et de courte portée, qui contrebalance la répulsion entre protons
et assure ainsi la cohésion des noyaux ;
- l’interaction électromagnétique qui, par son aspect électrique, est responsable de la
cohésion des atomes, des molécules et des phases condensées ;
- l’interaction gravitationnelle qui, bien que d’intensité beaucoup plus faible que les autre,
gouverne la structure de la matière à grande échelle, car elle est de longue portée et toujours
attractive.
L’interaction nucléaire faible, qui se manifeste à l’échelle macroscopique par les transformations
nucléaires, ne sera pas introduite au lycée.
L’interaction gravitationnelle a déjà été présentée en classe de seconde.
De l’interaction électromagnétique, seul l’aspect électrique est ici présenté. L’interaction entre
charges électriques peut être l’occasion de prolonger ce qui a été vu en seconde concernant la
gravitation à l’échelle des objets célestes, tout en montrant que ce n’est pas toujours la masse
qui est à l’origine des forces.
Une approche expérimentale des phénomènes d’électrisation permet de justifier l’existence de
deux types de charges et de préciser la nature attractive ou répulsive de leur interaction.
Lorsqu’on parle d’électrisation, le mot est pris dans un double sens : arrachage ou apport
d’électrons -électrisation par contact-, et déplacement interne de charge -phénomènes de
polarisation-. Dans ce dernier cas, on se contente d’interpréter qualitativement les phénomènes
par une distorsion locale de la distribution de charges.
On indique, en prenant divers exemples (tension d’un fil, résistance mécanique de la matière
ressort…) que l’interaction électromagnétique est largement responsable de la cohésion de la
matière à notre échelle, y compris la cohésion de la matière vivante.
On interprète qualitativement par l’interaction forte le fait que le noyau résiste à la forte
répulsion entre protons. On fait remarquer que lorsque le nombre de charges augmente, la
répulsion électromagnétique finit par l’emporter.
La prédominance habituelle de l’interaction gravitationnelle sur Terre est expliquée par la quasi
neutralité électrique des objets macroscopiques et par la grande masse de la Terre.
Bibliographie
JENSEN P., Entrer en matière ; les atomes expliquent-ils le monde ?, Paris,
Seuil, 2001.
Une proposition de progression
Nature
de la
séance
CE 1h30
Titre
Contenus
Exemples
d'activités
Rappels de seconde.
Les quatre
interactions
fondamentales
Les particules élémentaires de
l’atome.
La charge élémentaire.
Comparaison des quatre
interactions fondamentales, diu
point de vue de leur intensité,
portée, champ d’action …. Lien
entre les forces telles qu’on les
perçoit à notre échelle (par ex.
réaction d’un support) et
l’interaction électromagnétique.
Expression de la valeur des
interactions de gravitation et
électromagnétique. Quelques
calculs de valeurs à différentes
échelles de ces deux
interactions.
1 Etude
documentaire sur les
quatre interactions
fondamentales (F1 :
texte de Michel
Cassé)
2 Similitudes et
différences entre
force de gravitation et
force électrique
TP 2h
L’électrisation
Conception, réalisation et
interprétation d’expériences
d’électrisation.
Interprétation de l’électrisation
par frottement. Charges
électriques, transfert d’électrons.
Attraction et répulsion.
3 Etude
documentaire
CE 1h30
Isolants et
conducteurs.
Porteurs de charges.
Interactions
fondamentales et
cohésion de la
matière.
Correction du TP et
prolongements : mobilité des
porteurs de charge dans un
conducteur ; immobilité dans la
cas d’un isolant. Explication de la
découverte de l’électricité par
frottement bien avant celle de la
conduction.
4 Etude de texte
historique sur la
conduction électrique
5 Travail de groupe
sur le diagramme Z,N
Exploitation d’un travail à la
maison demandé au cours
précédent : la cohésion de la
matière à l’échelle atomique, à
l’échelle “ humaine ”, à l’échelle
atomique.
Activités en classe entière (HCE) : 3 h
Séance de travaux pratiques (TP) : 2h