But du TP : Savoir caractériser les champs électrostatique, gravitationnel et magnétique.

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1 Thème : Cohésion de la matière Chap. : Champs et forces TP : Petit tour dans les champs 1ereS But du TP : Savoir caractériser les champs électrostatique, gravitationnel et magnétique. Ce TP va se dérouler sous un format «Jigsaw» («puzzle» en anglais) : Vous allez former trois équipes de 5 à 6 personnes, et chaque équipe va étudier un des champs à l aide de documents et/ou d expériences. Nous allons ensuite reformer les équipes, et chacun devra expliquer ses découvertes et conclusions aux autres membres de la nouvelle équipe afin que vous puissiez tous remplir la fiche bilan. 35 min 30 min 20 min Résumé du déroulement du TP Premier travail de groupe avec distribution des documents et d'une fiche de réponse individuelle Reformation des nouveaux groupes et échange (mise à disposition du matériel pour montrer les expériences réalisées par un membre du groupe) Remplissage par binôme de la fiche bilan GROUPE 1 Champ électrostatique Déterminer ce qu est le champ électrostatique Déterminer l expression de l intensité du champ électrostatique en un point de l espace Document historique sur le champ électrostatique, la foudre et l électrisation Baguette en PVC + tissu en laine GROUPE 2 Champ gravitationnel Déterminer ce qu est le champ gravitationnel Déterminer l expression de l intensité du champ gravitationnel en un point de l espace Document descriptif sur le champ gravitationnel Animation sur les forces gravitationnelles s exerçant entre une planète et un satellite. GROUPE 3 Champ magnétique Déterminer ce qu est le champ magnétique Document sur les aimants et le champ magnétique terrestre Aimant droit, aimant en U, boite d aiguilles aimantées, boussole.

2 Groupe 1 : Champ électrostatique Document 1 : Emergence de la notion de champ électrostatique La force électrostatique F e exercée par un corps chargé sur un autre a été étudiée par le français C.-A. Coulomb à la fin du XVIII e siècle. Au XIX e siècle, l anglais M. Faraday applique le concept de champ à l électrostatique. Il place en un point S un corps chargé appelé charge-source et dresse une carte des vecteurs force qui s exercent, en tous points autour de S, sur un autre corps de charge q, appelé charge test. Le champ électrostatique E est introduit pour caractériser l effet de la charge-source en un point donné, indépendamment de la charge-test. Ce champ est défini comme le rapport de la force F e par la charge q. Il dépend alors de la chargesource et du point de l espace considéré, mais ne dépend plus de la charge-test. Ce champ permet de décrire les effets de la charge-source sur l espace qui l entoure. Il définit les lignes de champ comme des lignes continues, ayant la même direction que les vecteurs force, mais dont le sens ne dépend QUE du signe de la charge-source. D après Physique-Chimie 1ereS, édition Hachette Education 2015 Document 2 : La foudre Les nuages orageux (cumulo-nimbus) sont des masses de plusieurs milliers de tonnes d'eau. Si la base du nuage se trouve entre 1 et 3 km, le sommet peut dépasser 10km d'altitude. Il existe ainsi entre la base et le sommet du nuage de fortes différences de température qui provoquent des courants de convection. Ces courants d'air ascendants entraînent les particules les plus légères qui s'élèvent, se transforment en glace et se chargent positivement, tandis que les particules plus lourdes descendent, se retrouvant en bas sous forme liquide où elles sont chargées négativement. Le bas du nuage, chargé négativement, repousse les charges négatives du sol qui se trouve ainsi chargé positivement par influence. La tension entre un nuage et le sol peut atteindre plusieurs dizaines de millions de volts. Lors d'un orage, le champ électrique crée prend des valeurs voisines de 15 à 20 kv/m. Le seuil de conduction de l'air est atteint. L'éclair va jaillir. Document 3 : Electrisation Electrisation des cheveux par une machine de Van der Graaff. Electrisation d une balle métallique Expérience: Partie 1. «Electrisation par influence» : On approche la baguette en verre de la boule d aluminium après avoir frotté celle-ci avec de la laine. En frottant la baguette avec la laine, on l a temporairement chargée : elle a été électrisée. La baguette et la boule s attirent l une l autre. C est donc que la boule, qui n était pas chargée, s est électrisée à l approche de la baguette et que les charges de la baguette et de la boule sont de signes opposés. En touchant la boule, et si ses pieds se trouvent sur une surface qui l isole du sol, les charges s accumulent dans son corps et ses cheveux. Les cheveux sont alors chargés positivement et se repoussent. Expérience: Partie 2. «Electrisation par contact» : On refait la même expérience que précédemment mais on laisse le contact s établir entre la boule et la baguette. On rompt ensuite ce contact puis on approche de nouveau la baguette. Après rupture du contact, la boule est repoussée par la baguette. C est donc que la baguette a électrisé la boule par contacte et que les charges de la baguette et de la boule sont maintenant de même signe. Définir ce qu est le champ électrostatique. Schématiser les lignes de champ orientées entre le nuage et la Terre lors d'un orage et les lignes de champ orientées autour de la tête de la jeune fille, en précisant les signes des charges. Déterminer l expression de l intensité du champ électrostatique E d une charge ponctuelle (positive et négative) en un point de l espace.

3 Groupe 2 : Champ gravitationnel Document 1 : Champ gravitationnel Le champ gravitationnel G caractérise l effet de la masse-source en un point donné, indépendamment de la masse-test. Ce champ permet donc de décrire les effets de la masse-source sur l espace qui l entoure. Ce champ est défini comme le rapport de la force F g par la masse m de la masse-test. Il dépend alors de la massesource et du point de l espace considéré, mais ne dépend plus de la masse-test. Ce champ permet de décrire les effets de la masse-source sur l espace qui l entoure. Il définit les lignes de champ comme des lignes continues, ayant la même direction que les vecteurs force, mais dont l intensité ne dépend QUE de la masse-source. Document 2 : Logiciel de simulation «Gravitational Field Interactive» Le logiciel de simulation interactive d champ gravitationnel (en anglais) se trouve à l adresse : Fields/Gravitational-Fields-Interactive Cliquer sur l icône en haut à gauche de l animation pour maximiser la fenêtre. Puisque le champ de gravitation d une la planète sur un satellite est indépendant de la masse du satellite, mettre la masse du satellite au maximum et ne plus y toucher du tout! Cliquer sur «Hide planet force» pour n avoir que le vecteur force du satellite. Bouger le satellite autour de la planète et en déduire l orientation des lignes de champ gravitationnel. Changer la masse de la planète et observer comment la force (et donc l intensité du champ gravitationnel) varie. Définir ce qu est le champ gravitationnel. A l aide de la simulation, schématiser les lignes de champ orientées autour d une planète. Déterminer l expression de l intensité du champ gravitationnel G d une masse en un point de l espace.

4 Groupe 3 : Champ magnétique Document 1 : Aimants et champ magnétique Ce n est pas d hier que les hommes ont remarqué que certaines pierres pouvaient s attirer entre elles. Les corps doués de ces propriétés magnétiques sont appelés aimants. Ces aimants sont capables de produire un champ magnétique dans la zone qui les entoure. Ils possèdent deux pôles : un pôle nord, et un pôle sud. Un aimant usuel peut produire des champs magnétiques dont la valeur varie entre 0.1 et 1.0 T (Tesla). Une aiguille aimantée se comporte comme un aimant plat, avec deux pôles (la flèche correspond habituellement à un pôle nord, si elle n a pas été démagnétisée). Une aiguille aimantée placée au voisinage d un aimant permet de repérer les propriétés magnétiques créées par cet aimant au point de l espace où elle se trouve. Lorsque l aiguille aimantée prend une direction et un sens particuliers, on dit qu il règne un champ magnétique dans cet espace. Les directions particulières prises par les aiguilles aimantées ou les boussoles sont appelées lignes du champ magnétique. Une ligne de champ est une ligne tangente en tout point au vecteur champ. Elle est orientée par une flèche dans le sens du vecteur champ. On peut aussi utiliser de la limaille de fer ou une grille d aiguilles au voisinage d un aimant pour observer le spectre magnétique (ensemble des lignes de champ) de l aimant. Document 2 : Le champ magnétique terrestre On ne connaît pas encore très bien le phénomène qui engendre ce champ mais le modèle suivant permet aujourd hui de l expliquer : la rotation de matière sous forme d ions fer dans le liquide du noyau de la terre pourraient engendrer des courants électriques qui produiraient un champ magnétique. Le champ magnétique terrestre est assimilable en première approximation, au champ que créerait un aimant droit placé au centre de la terre et légèrement incliné par rapport à l axe des pôles géographiques. Les pôles magnétiques ne correspondent donc pas aux pôles géographiques. De plus, ces pôles sont inversés : le pôle sud magnétique se trouve au pôle nord géographique, et vice-versa! Une aiguille aimantée libre de se déplacer dans toutes les directions, suspendue par son centre de gravité et placée loin de tout aimant ou circuit électrique, s oriente dans une direction particulière. La direction prise par l aiguille est celle du champ magnétique terrestre B T. Définir les caractéristiques d un aimant. Définir comment est orienté le champ magnétique d un aimant et déterminer quelle est son unité. Dessiner les lignes de champ d un aimant droit et d un aimant en U sur le schéma ci-dessous. Déterminer la direction des lignes de champ magnétique terrestre par rapport aux pôles géographiques et compléter le schéma ci-dessous. Aimant droit Aimant en U Terre Pôle magnétique de l hémisphère nord Axe de rotation de la Terre Pôle magnétique de l hémisphère sud

5 Noms, Prénoms : FICHE BILAN Le champ E caractérise Champ électrostatique Expression de l intensité du champ E à une distance d de la source : E = Champ magnétique Un aimant possède deux pôles : un pôle et un pôle La direction du champ magnétique B est celle de l axe qu'aurait une l aiguille aimantée et son sens est toujours où Q est la charge en Coulomb, d la distance en mètre et k la constante de Coulomb. Unité du champ électrostatique E : Lignes de champs orientées dans le cas d une charge ponctuelle : Positive Négative + - Unité du champ magnétique B : Le champ magnétique terrestre est assimilable en première approximation, au champ que créerait Les pôles magnétiques e les pôles géographiques sont Lignes de champs orientées dans le cas de la Terre : Nord géographique Lignes de champs orientées entre deux plaques chargées (condensateur plan) : Sud géographique Le champ G caractérise : Champ gravitationnel Expression de l intensité du champ G à une distance d de la source : APPLICATIONS Calculer la valeur du champ électrostatique produit par une charge Q = 3e à un point A distant de da = 80 nm de la charge-source. G = où M est la masse en kilogramme, d la distance en mètre et G la constante de gravitation. Unité du champ gravitationnel G : Lignes de champs orientées dans le cas d une masse ponctuelle : Calculer la valeur du champ de gravitation de la Lune à sa surface (on considère ici que toute la masse est concentrée en son centre). Données : ML = 7, kg ; RL = 1740 km Données : G = 6, N.m 2.kg -2 k = 9, N.m 2.C -2 e = 1, C