1

I. LA MATIERE A DIFFERENTES ECHELLES

Les objets présents dans l’Univers ont des dimensions très différentes. Leurs ordres de grandeurs permettent de les

représenter facilement sur un même axe.

II. LES CONSTITUANTS DE LA MATIERE

1. Particules élémentaires

Remarque : Les neutrons et protons sont faits de particules appelées « quarks »

Structure Système

solaire Homme

Rayon de

l’atome Univers (connu) Molécule Notre galaxie Nucléon Terre

Taille

12

milliards

de km

1,8 m 100 pm 260 000 milliards

de milliards de km 1 nm

946 millions

de milliards

de km

2,4 fm 12 800 km

Ordre de

grandeur (m) 10

13 10

0 10

-10 10

26 10

-9 10

21 10

-15 10

7

MOUVEMENT ET INTERACTIONS CHAPITRE 5

Cours

INTERACTIONS FONDAMENTALES - CHAMPS

La matière est constituée d’atomes, d'ions ou de molécules. Ces entités sont-elles mêmes composées de plus

petites particules indivisibles, dites particules élémentaires : protons, neutrons et électrons.

Particules Localisation dans l’atome Charge électrique Ordre de grandeur de la masse

Proton Dans le noyau q = +e 10−27 𝑘𝑔

Neutron Dans le noyau 0 C 10−27 𝑘𝑔

Electron Autour du noyau q = -e 10−30 𝑘𝑔

2

Application : Calculer la charge électrique du noyau d’un atome d’aluminium

2. Les électrons : Electrisation

(voir TP électrisation)

3. Représentation symbolique d’un noyau

Rappels :

- La masse d’un noyau de représentation symbolique est : (la masse de l'atome est

concentrée dans son noyau : matome ≈ mnoyau )

- La charge électrique d’un noyau de représentation symbolique est :

- Des atomes isotopes ont le même numéro atomique Z mais des nombres de nucléons A différents

La charge électrique e est appelée « charge élémentaire », car c'est la plus petite charge électrique que l'on

puisse isoler (e = 1,60.10-19

Coulombs). La charge électrique de n'importe quel corps chargé est un multiple

entier de la charge élémentaire e.

Le noyau d'un élément X, de symbole 𝑋𝑍𝐴 , est constitué de A nucléons dont Z protons et A – Z neutrons.

Un atome est une entité électriquement neutre : son nuage ou cortège électronique comprend donc Z électrons.

Les électrons sont les seules particules élémentaires susceptibles d’être arrachées, transférées à la matière ou

déplacées. Un corps peut être électrisé par frottement, influence ou contact.

3

III. LES INTERACTIONS FONDAMENTALES

Dans la nature, les objets ont une action les uns sur les autres : ils interagissent.

Nous pouvons prendre l’image d’une partie de ping-pong où les joueurs restent à une même distance tant qu’ils

échangent la balle. Les particules interagissent de la même façon, en s’échangeant des particules : photons, gluons…

Tout dans l’Univers est gouverné par quatre interactions fondamentales (gravitationnelle, électromagnétique, forte et

faible)

1. De l’interaction à la force

Soit deux objets A et B qui agissent de manière réciproque l’un sur

l’autre : A agit sur B et B agit sur A, on dit alors que ces objets sont en

interaction.

Chaque action est modélisée par une force, elle-même représentée par un

vecteur portant quatre caractéristiques :

- Un sens,

- Une direction,

- Une intensité

- Un point d’application

Avec vecteur unitaire orienté de A vers B

2. L’interaction gravitationnelle – Loi de la gravitation Universelle

Caractéristiques de l’interaction gravitationnelle :

Toujours attractive

S’exerce entre tous les objets qui ont une masse (plus il y a de masse, plus la force est importante)

Responsable de la rotation de la Lune autour de la Terre, de la naissance des étoiles et des planètes …

La plus faible des interactions fondamentales

Portée infinie (mais la valeur est d’autant plus faible que les objets sont éloignés)

Cette force d’interaction attractive fut établie par l’anglais Isaac Newton en 1685

𝑭𝒈 𝑨→𝑩 −𝑭𝒈 𝑩→𝑨 − 𝑮 𝒎𝑨 𝒎𝑩

𝒅𝟐 ��

Deux corps A et B de masses mA et mB, séparées par une distance d, s’attirent du fait de l’interaction

gravitationnelle. Cette interaction est modélisée par des forces attractives 𝐹𝑔 𝐴→𝐵 et 𝐹𝑔 𝐵→𝐴 ayant :

La même direction

Des sens opposés

La même intensité : 𝑭𝒈 𝑨→𝑩 𝑭𝒈 𝑩→𝑨 𝑮 𝒎𝑨 𝒎𝑩

𝒅𝟐

4

Application : calculer l’interaction gravitationnelle exercée par la Terre sur la Lune. Données : mT = 5,97.1024

kg ; mL = 7,53.10

22 kg ; d = 384 000 km

On trouve : FGT/L = 2,03.1020

N

3. L’interaction électrostatique – Loi de Coulomb

Caractéristiques de l’interaction électrostatique :

Agit entre tous les objets qui possèdent une charge électrique

De nature électrique (charges au repos) et magnétique (charges en mouvement)

Répulsive si les objets ont une charge de même signe (exemple : deux électrons), attractive si les objets ont une

charge signe contraire (exemple : un proton et un électron)

Responsable de la cohésion des atomes et des molécules et de la plupart des forces (action d’un support,

frottement…)

Portée infinie (mais en pratique, les charges positives et négatives tendent à se neutraliser)

L'interaction électrique est décrite par la loi de Coulomb (établie par le français Charles Coulomb en 1785)

𝑭 𝒍 𝑨→𝑩 −𝑭 𝒍 𝑩→𝑨 𝒌 𝒒𝑨 𝒒𝑩𝒅𝟐

��

Deux corps A et B de charges qA et qB, séparées par une distance d, s’attirent ou se repoussent du fait de

l’interaction électromagnétique. Cette interaction est modélisée par des forces 𝐹 𝑙 𝐴→𝐵 et 𝐹 𝑙 𝐵→𝐴 ayant :

La même direction

Des sens opposés

La même intensité : 𝑭 𝒍 𝑨→𝑩 𝑭 𝒍 𝑩→𝑨 𝒌 𝒒𝑨 𝒒𝑩

𝒅𝟐

5

Application : Quelles sont les forces qui s'exercent à l'intérieur d'un atome d'hydrogène ? (dp-e = 5,3.10-11

m)

La force électrostatique est prépondérante entre le noyau et l’électron de l’atome d’hydrogène.

4. L’interaction forte et faible

Dans un noyau, la force électrostatique est prépondérante entre les protons sur la force gravitationnelle. Comme

elle est répulsive entre les protons, ceux-ci devraient s’éloigner. Or le noyau est compact. La cohésion du noyau

de l’atome est forcément maintenue grâce à une autre force : l’interaction forte.

Remarque : Plus le noyau est gros (bcp de protons), plus cette interaction forte doit être intense pour contrer les forces

électromagnétiques. Sinon, le noyau n'est pas stable et se désintègre : c'est la radioactivité.

L’interaction faible a une très faible portée (10-18

m) et une intensité très faible (105 fois plus faible que

l'interaction forte). Elle est responsable de la radioactivité et de la fusion nucléaire (comme au centre du Soleil)

5. Domaines de prédominance des interactions

En fonction de ses caractéristiques, chaque interaction prédomine à une certaine échelle de l’Univers :

L’interaction gravitationnelle prédomine à l’échelle astronomique, car elle est de portée infinie et que la matière

est globalement électriquement neutre.

L’interaction électromagnétique prédomine à l’échelle humaine et à l’échelle atomique (les masses étant trop

faibles pour que l’interaction gravitationnelle ait un rôle)

Remarque : L’interaction forte prédomine à l’échelle

du noyau : elle est plus intense que les autres

interactions, mais sa très faible portée limite son

action à cette seule échelle

6. Comparaison des interactions gravitationnelle et électrostatique

ANALOGIES DIFFERENCES

Interaction gravitationnelle Interaction électrostatique

Variation en

Application entre deux points matériels

de masses respectives mA et mB

Application entre deux points matériels

de charges respectives qA et qB

Portée illimitée Prépondérance à l’échelle astronomique Prépondérance à l’échelle humaine,

atomique

Forces représentées par des

vecteurs de même direction Toujours attractive Attractive ou répulsive

6

IV. NOTION DE CHAMP

La notion de champ permet de comprendre et représenter plus facilement l’effet d’une source (électrique, magnétique,

gravitationnelle, …)

Le concept de champ consiste à supposer que, pour chaque interaction, une particule M produit autour d'elle un

champ correspondant qui est une manifestation d'une interaction possible. La présence du champ est mise en évidence

lorsqu'on amène une particule M’ au voisinage de M et que l'on observe les conséquences de la force qu'exerce M sur M’. D'un certain point de vue, on peut dire qu'on regarde un point matériel M en tant qu'émetteur de l'interaction…

1. Qu’est-ce qu’un champ en physique ?

La notion de champ est utilisée en physique pour traduire l’influence que peut exercer, à distance, un objet sur son

environnement. Un champ caractérise une propriété particulière de l’objet. Réciproquement, les autres objets présents

dans l’environnement ne sont sensibles au champ que s’ils présentent eux-mêmes cette propriété. Par exemple, notre

planète la Terre, génère un champ de pesanteur. Ce champ est généré par la masse de la planète et réciproquement, il

exerce son effet sur les objets massifs.

2. Champ scalaire et champ vectoriel

3. Cartographie d'un champ

Pour un champ scalaire, les lignes de champ sont obtenues en reliant tous les points

où la grandeur physique a la même valeur. On parle de lignes de niveau

Ex : les lignes isobares des cartes météorologiques représentent des lignes d'égale

pression atmosphérique, profil topologique d'une carte IGN

Pour un champ vectoriel, les lignes de champ sont tangentes aux vecteurs champs en

chacun de leur point et sont orientées dans le même sens que le vecteur champ.

Ex : les lignes de champ de vitesse de l’air autour d’une aile d’avion

Manip 1 : champ magnétique

Remarque : Par définition, des lignes de champs ne peuvent pas se couper.

Lorsque la grandeur physique est complètement définie par sa valeur, on dit que c’est une grandeur scalaire.

Le champ représentant cette grandeur est alors appelé champ scalaire. Ex : champ de température ou

champ de pression atmosphérique, champ d'altitude …

Lorsque la grandeur physique est complètement définie par un vecteur (donc par sa valeur, son sens et sa

direction), on dit que c’est un champ vectoriel. Ex : champ des vents, champ de pesanteur terrestre, champ

magnétique terrestre ..

Un champ est dit uniforme si la grandeur qui le caractérise est la même en tout point de l’espace (même valeur,

même direction, même sens). Si un champ vectoriel est uniforme, les lignes de champ sont parallèles entre elles.

Cartographier un champ consiste à donner une représentation de ce champ en plusieurs points. Pour cartographier

un champ dans une région de l'espace, on utilise des lignes de champ

Un champ est un outil physique associant à chaque point de l’espace une grandeur physique

7

V. CHAMP ELECTROSTATIQUE

Exemples de champ électrostatique :

Champ créé par deux charges ponctuelles

Manip 2 : machine whimshurst éclair

Manip 3 : machine whimshurst condensateur plan

Manip4 : machine whimshurst avec boule électrons/application

oscilloscope

Champ crée par un condensateur plan Autour d’une pointe

𝐸 𝒌 𝒒𝑨𝒅𝟐

Tout objet portant une charge électrique qA créé, en un point situé à une distance d de lui, un champ

électrostatique �� d'intensité

E en V.m-1

ou en N.C-1

et dirigé en chaque point qui l'entoure vers son centre si q est négative ou à l'opposé

de son centre si q est positive.

k = 9,0.109  SI

est la constante électrostatique ou constante de Coulomb

Tout objet portant une charge qB plongé

dans un champ électrostatique �� est

soumis à une force 𝐹 𝑙 𝐴→𝐵 𝑞𝐵 ��

exercée par l'objet qui crée le champ

électrostatique.

8

VI. CHAMP GRAVITATIONNEL

Exemple : Champ gravitationnel créé par la Terre :

- à sa surface

- à l'altitude h = 2000 km :

Cas du champ de pesanteur

Remarques :

Si l'on néglige l'effet de la rotation de la Terre sur elle-même, c'est à dire si l'on admet que les verticales passent

toutes par le centre de la Terre, le champ de pesanteur s'identifie au champ gravitationnel créé par la

Terre et le poids d'un objet peut être confondu avec la force

d'interaction gravitationnelle que la Terre Exerce sur lui :

et

Dans un domaine restreint au voisinage de la Terre, le champ de

pesanteur (ou gravitationnel) peut être considéré comme uniforme :

même valeur en tout point, même direction (verticale) et même sens (vers le bas). On parle de champ de pesanteur local.

𝐺𝑔 𝐺 𝑚𝐴

𝑑2

Tout objet de masse mA créé en un point situé à une distance d de son centre, un champ gravitationnel 𝑮𝒈

d'intensité :

𝐺𝑔 en N.kg-1

, et dirigé en chaque point qui l'entoure vers son centre.

G = 6,67×10-11

SI est la constante de gravitation universelle

Tout objet de masse mB, plongé dans un champ

gravitationnel 𝑮𝒈 est soumis à une force 𝑭 𝒎𝑩 𝑮𝒈

exercée par l'objet qui crée le champ de gravitation.

Sur Terre et dans l'espace environnant, un objet de masse m subit une attraction à distance, appelée poids,

d'intensité 𝑃 𝑚 𝑔 (où g est l'intensité de la pesanteur terrestre) dirigé vers le sol. Cette attraction est due au

champ de pesanteur terrestre 𝑔 , dirigé vers le sol, selon la verticale du lieu.