chapitre 1 – interactions fondamentales

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Text of chapitre 1 – interactions fondamentales

  • Frdric Tenailleau

    PHYSIQUE

    Premire S

    Cours et exercices corrigs

    D I T I O N S C H E M I N S D E T R @ V E R S E

  • 2 Physique Premire S Chapitre 1 : Interactions fondamentales

    CHAPITRE 1 INTERACTIONS FONDAMENTALES

    Contenus

    Particules lmentaires Les constituants de la matire : neutrons, protons, lectrons Charge lmentaire

    Interactions fondamentales

    La masse et linteraction gravitationnelle ; loi de Newton Les charges et linteraction lectrique ;

    Loi de Coulomb : direction, sens, valeur F = kq q

    d2 avec k 9x109 SI.

    Phnomnes dlectrisation. Isolants, conducteurs, porteurs de charge : lectrons et ions. Les nuclons et linteraction forte. Deux interactions luvre dans le noyau : la

    rpulsion coulombienne entre protons compense jusqu luranium par une interaction intense mais de courte porte.

    Interactions et cohsion de la matire diverses chelles.

    chelle astronomique chelle atomique et humaine chelle du noyau

    Connaissances exigibles

    Particules lmentaires Savoir que toute charge lectrique est multiple dune charge lmentaire. Connaitre lordre de grandeur du rapport des masses des nuclons et de llectron. Connaitre lordre de grandeur du rayon dun atome et dun noyau

    Interactions fondamentales

    Raliser et interprter des expriences simples mettant en jeu des phnomnes dlectrisation

    Connatre et savoir appliquer la loi de Coulomb. Savoir que dans un mtal une fraction des lectrons est libre de se dplacer dans tout

    lchantillon alors que dans un isolant les dplacements sont infrieurs la taille atomique.

    Interactions et cohsion de la matire diverses chelles.

    Savoir quau niveau du noyau sexercent deux types dinteractions dont les effets sont opposs.

    Savoir que la cohsion de la matire est assure par :

  • 3 Physique Premire S Chapitre 1 : Interactions fondamentales

    linteraction gravitationnelle lchelle astronomique. linteraction lectromagntique lchelle des atomes, des molcules et de la

    matire notre chelle. linteraction forte lchelle du noyau.

  • 4 Physique Premire S Chapitre 1 : Interactions fondamentales

    1 La matire 1.1 Les particules lmentaires

    Une particule lmentaire est une particule qui ne peut pas tre divise, cela dpend du niveau dtude considr. Au lyce on considrera 3 particules lmentaires

    Particules lmentaires Masse Charge (Coulomb : C)

    lectron me = 9,1.10-31 kg qe = e

    Proton mp = 1,673.10-27 kg qP = e

    Neutron mn = 1,675.10-27 kg 0 C

    e est la charge lmentaire, e = 1,6.10-19 C Toute charge lectrique q est un multiple entier de e q = n.e avec n

    1.2 Latome Latome est une particule lectriquement neutre, il contient donc autant dlectrons que de

    protons. Il se compose dun noyau central charg positivement contenant les nuclons (protons + neutrons) entour par le nuage lectronique charg ngativement.

    Un lectron est environ 2000 fois plus lger quun nuclon, la masse de latome est donc essentiellement contenue dans le noyau.

    Le diamtre moyen dun datome est de quelques diximes de nanomtre soit 10-10 m. Son noyau est 100 000 fois plus petit, il a un diamtre moyen de lordre de 10-15 m (femtomtre). Latome a donc une structure lacunaire.

    Latome contient A nuclons et Z protons, on note latome dun lment X : Des isotopes sont des atomes qui ont mme nombre de protons Z (ce sont les mmes lments) mais qui diffrent par le nombre de neutrons qui les constituent :

    Exemples 612 613 614 trois isotopes du carbone.

    1.3 Les ions

    Un ion positif est un atome qui a perdu un ou plusieurs lectrons. Mg1224 Mg2+ : 12 protons et 10 lectrons

    Un ion ngatif est un atome qui a gagn un ou plusieurs lectrons. S1633 S2- : 16 protons et 18 lectrons

  • 5 Physique Premire S Chapitre 1 : Interactions fondamentales

    2 L'interaction gravitationnelle Il existe une interaction gravitationnelle qui sexerce entre deux corps A et B de masses mA et mB. Cest une force uniquement attractive. Direction : droite qui lie les centres de A et de B

    Sens : attractif

    Valeur : FA/B = FB/A = GmA mB

    AB

    G = constante universelle de gravitation G = 6,67.10-11 m3.kg-1.s-2. mA, mB : masse en kilogramme

    AB : distance entre le centre de A et le centre de B en mtre Remarque : cette formule de calcul est la loi de Newton pour les points matriels

    / = / Les corps massifs rpartition sphrique de masse se comportent comme des corps ponctuels de

    mme masse.

    Nous attirons la Terre avec une force de mme valeur que celle quelle exerce sur nous.

    Au voisinage de la Terre, l'attraction gravitationnelle due la Terre sur un corps est confondue avec le poids du corps.

    3 L'interaction lectrique 3.1 lectrisation de corps

    Il existe deux types d'lectrisation :

    L'lectrisation par frottement entre deux objets lectriquement neutres initialement.

    Lors de l'lectrisation par frottement, des lectrons sont arrachs :

    Le matriau qui gagne des lectrons porte alors une charge ngative.

    Le matriau qui perd des lectrons porte alors une charge positive.

    / /

    B A

    / /

    B A Schma quivalent au prcdent

    Tige de verre

    + + +

  • 6 Physique Premire S Chapitre 1 : Interactions fondamentales

    L'lectrisation par contact

    Une fois les objets en contact, ils se repoussent

    Deux objets qui portent des charges de mme signe se repoussent.

    Deux objets qui portent des charges de signe diffrent s'attirent.

    Dfinitions

    Isolant : Un matriau est isolant lorsque les lectrons ne peuvent se dplacer, la charge lectrique acquise reste localise (les dplacements sont infrieurs aux dimensions atomiques).

    Conducteur : Un matriau est conducteur lorsque certains lectrons peuvent se dplacer librement sur de grandes distances au sein du matriau.

    Exemples : le verre, le PVC et les matires plastiques sont des isolants. les mtaux et le carbone sont des conducteurs.

    3.2 Loi de Coulomb Il existe une interaction lectrique (ou coulombienne) entre deux corps ponctuels A et B portant les charges qA et qB dont la valeur est

    FA/B = FB/A = k|qA ||qB |

    AB

    qA, qB charges des corps A et B en coulomb

    k est une constante : k = 9,0.109 m3.kg.s-2.C-2.

    AB : distance entre les corps A et B en mtre

    qA et qB ont des signes diffrents qA et qB ont mme signe Cette interaction explique La cohsion de latome (elle sexerce entre les lectrons et les protons) La cohsion des molcules (elle sexerce au niveau des liaisons covalentes) La cohsion des cristaux ioniques (entre ions positifs et ions ngatifs).

    Il ne peut donc pas produire de force coulombienne entre un objet lectris et un objet lectriquement neutre.

    Attraction entre le pendule neutre et la tige lectrise. Il se produit un micro dplacement des lectrons en surface du pendule, ce qui cre en regard une micro charge positive Lors du contact, il y a transfert des lectrons du pendule vers la surface de la tige de verre. Les deux objets lectriss positivement se

    / /

    qB qA

    / /

    qB qA

    Bille daluminium lectriquement neutre

    Tige lectrise

    + + + + + + + + +

    + +

    + + +