1 Interactions. fondamentales. r Manuel pages 8 à 25. Découvrir et réfléchir. Activité expérimentale 1. Activité expérimentale 2 CHAPITRE

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1 CHAPITRE 1 1 Interactions fondamentales r Manuel pages 8 à 5 Choix pédagogiques Le BO recommande de consacrer 3 heures et 1 TP à cette partie sur les interactions fondamentales. Les trois interactions sont regroupées dans un seul chapitre : la partie électrostatique se limite aux activités expérimentales, à leurs interprétations et une large part est laissée aux exercices qualitatifs d électrisation. Deux activités documentaires permettent de replacer les interactions dans leur contexte. Dès ce première chapitre, on distingue l action (au sens de l interaction) et la force (modélisant l action), distinction qui sera reprise et précisée dans les chapitres suivants. Découvrir et réfléchir Activité expérimentale 1 Commentaire : L activité fait découvrir l électrisation par frottement, par contact et par influence. Des rappels de Seconde et le sens des forces électriques aident les élèves à interpréter les expériences. Aspect pratique : Les manipulations d électrostatique ont la réputation d être délicates à réaliser ; voici quelques pistes pour les réussir. Par temps humide : sécher le matériel avec un sèchecheveux avant utilisation ; frotter les objets avec beaucoup de dynamisme et renouveler le frottement dès que nécessaire. Par temps sec : décharger le matériel avant chaque manipulation par contact avec la «terre» sur prise électrique ou circuit d eau : radiateur, armature de robinet.) avec un papier aluminium et un fil. Complément à propos du matériel : Une tige en polyéthylène (PE : code ou 4) peu lisse (support de ballon de baudruche publicitaire par exemple) a le même effet qu un bâton d ébonite si elle est frottée avec un tissu à grosses mailles. Pour éviter les fourrures, on peut utiliser un sac en plastique fin (PE HD et non PE BD). 1. Les morceaux de papiers sont attirés.. Lors du frottement, la baguette perd des électrons. 3. La boule est chargée positivement, comme la baguette (répulsion). 4. Cf. Cours..B et figure Attractions gravitationnelle et électrique. 6. La boule est attirée puis repoussée dès qu elle a touché la baguette. 7. La boule chargée positivement est plus rapidement attirée par la tige qu à la manipulation. Cette fois, la boule n est pas électriquement neutre : elle est chargée négativement. Lors du contact entre la boule et la tige, des électrons de la tige passent sur la boule d où la répulsion. 8. Il faut observer une répulsion pour affirmer que le bâton porte une charge de même signe que la boule. Mode opératoire A. Pour mettre en évidence une charge positive, charger positivement la boule du pendule par contact avec du verre frotté avec du plastique puis approcher le bâton d ébonite frotté avec une peau de chat. B. Pour mettre en évidence une charge négative, charger négativement la boule en la mettant en contact d une tige de plastique frottée avec de la laine. Résultats : le bâton d ébonite est chargé négativement (répulsion avec expérience B). Activité expérimentale Commentaire : Les élèves ont vu en Quatrième les notions de conducteur et d isolant en terme d aptitude ou non à laisser passer le courant électrique. 1. Cuivre, mine de crayon. Électrisation de la boule par contact ; répulsion entre charges de même signe. 5

2 . Le cuivre permet la mobilité des porteurs de charges, contrairement aux isolants. 3. Dans toute la chaîne de conducteurs. 4. Elles se répartissent dans le corps humain et dans la Terre si la personne est en contact électrique avec le sol ; si la personne porte des chaussures isolantes et n est pas en contact électrique avec la Terre, la décharge n est que partielle. Activité documentaire 3 Commentaire : Les activités 3 et 4 peuvent servir de support à la partie du cours sur les interactions et sur la cohésion de la matière. 1. Gravitationnelle, électrique, forte et faible.. Direction : droite reliant les deux centres des objets en interaction ; toujours attractive ; F F G mm A B AB / BC /. d 3. Réponse b. 4. Attractive pour des porteurs de charges de signes différents ; répulsive pour des porteurs de charges de même signe. 5. L interaction forte, attractive, compense globalement la répulsion électrique entre protons. Activité documentaire 4 1. La matière est globalement neutre à grande échelle donc il n y a pas de force électrique. Il reste l interaction gravitationnelle.. a. Force électrique : F e1 /e, N. Force gravitationnelle : F e1 /e 5, N. Rapport électrique et gravitationnelle : 4, b. Dans le texte : a. Gravitationnelle. b. Électromagnétique. c. Électromagnétique. d. Forte. Appliquer et réfléchir Travaux pratiques Commentaire : Ces manipulations peuvent faire l objet d un TP tournant et permettent l approfondissement des phénomènes d électrisation. Le professeur présentera le matériel à tout le groupe au début de la séance. Quelques conseils pratiques pour réussir les expériences figurent dans l activité Manipulation 1. Au départ, la lamelle est verticale. En approchant la baguette du plateau de l électroscope, la lamelle s écarte de la tige verticale fixe. Elle s en rapproche dès qu on éloigne la baguette. Quand on pose le doigt sur le plateau, la lamelle se replace verticalement. En retirant le doigt mais en laissant la baguette de verre à proximité, la lamelle reste verticale puis s écarte de la tige dès que la baguette est éloignée. En approchant de nouveau une baguette électrisée, la lamelle se rapproche de la tige. Manipulation. Après le contact entre la baguette électrisée et le plateau, la lamelle s éloigne de la tige verticale. Elle s éloigne davantage, si on approche de nouveau la baguette et inversement. En touchant le plateau avec le sac, la lamelle s approche de la tige.. Manipulation 1. Au départ l électroscope est électriquement neutre (déchargé) donc les porteurs de charge sont répartis (figure 1). En approchant la baguette chargée positivement, les électrons sont attirés vers le haut de l électroscope. La lamelle et le bas de la tige sont chargés positivement et se repoussent. La lamelle, mobile et de faible masse, s écarte de la tige maintenue verticale (figure ). Inversement, quand on éloigne la baguette de verre du plateau, les charges électriques retrouvent leur place. Il n y a plus d excès de charges positives dans la tige ni dans la lamelle ; donc plus de répulsion : l électroscope s est déchargé (figure 1). figure 1 Si on pose le doigt sur le plateau, des porteurs de charges peuvent passer entre le corps humain conducteur et l électroscope. La baguette chargée positivement attire des électrons contenus dans le corps (ou la Terre) vers l électroscope. L excès de charges positives qui s étaient accumulées au niveau de la tige (figure ) est ainsi neutralisé (figure 3) : la lamelle retrouve sa position verticale. Mais l électroscope n est plus électriquement neutre : il est chargé négativement. Dès le retrait du doigt puis de la baguette, les charges négatives en excès se répartissent dans tout l électroscope donc la lamelle est repoussée (figure 4). baguette figure 3 baguette figure figure 4 6

3 Si on approche de nouveau, la baguette chargée positivement, les charges négatives en excès sont attirées vers le haut donc la lamelle reprend sa position verticale. Manipulation. Lors du contact entre la baguette de verre chargée positivement et le plateau, des électrons du plateau passent sur la baguette de verre. L électroscope est chargé positivement donc la tige repousse la lamelle (figure 4 avec charges positives). En approchant la baguette chargée positivement, les électrons de l électroscope sont attirés vers le haut de l électroscope, et augmentent l excès de charges positives en bas ; d où une répulsion plus intense. Le sac en plastique chargé négativement va transmettre des électrons à l électroscope. La lamelle va retomber ; l électroscope se décharge partiellement. 3. L électroscope se déchargera et la lamelle restera verticale. 4. Le nom provient du tintement alternatif plaques percutées par la boule. 5. Au départ, la boule est électriquement neutre. La plaque chargée négativement attire les porteurs de charges positives de son côté alors que les charges négatives sont repoussées sur l autre face de la boule. Les porteurs de charges de signes opposés sont plus proches que ceux de signes contraires ; or, d après la loi de Coulomb, la force électrique est d autant plus intense que les porteurs de charge sont proches ; donc, l attraction l emporte sur la répulsion : la boule est attirée par la plaque chargée négativement (figure 5). 6. Une fois la boule chargée, négativement, elle est repoussée par la plaque chargée négativement et attirée par l autre plaque, d où une collision sur l autre plaque ; etc. (figures 6 et 7). figure 5 figure 6 charge par influence figure 7 charge par contact charge par contact Exercices Exercices d application 4 L atome est constitué de particules élémentaires Numéro atomique ; nombre de protons.. a Hg. b. 80 protons ; 10 neutrons. 3. Q Ze 1, C. 6 3, 10 0 C 1, C. Aucun objet ne porte une charge inférieure à la charge élémentaire. 7 Corrigé dans le manuel. 8 a. N (e dans la lame) N (atomes de cuivre) m 1, A m nucléon b. N (e manquants) q/e 5, Ne ( manquants) c. 4, Ne ( dans la lame) Seule une infime minorité des électrons manque. 9 Corrigé dans le manuel. a. F G M T 10 m. b. F G Mm T O. d D F Md T T c. 1, FO M D d. Seule l interaction gravitationnelle avec la Terre joue un rôle, de part la très grande masse de la Terre. 11 grandeur physique sensible à cette force portée (limitée, infinie) expression de la valeur (préciser les unités) grandeur physique sensible à cette force portée (limitée, infinie) interaction gravitationnelle expression de la valeur F F G m A m AB / BA / d (préciser les unités) (N, kg, m) masse attractive infinie interaction électrique F F k q A q AB / BA / d (N, C, m) charge attractive entre deux charges de signe opposé répulsive entre deux charges de même signe infinie 1 1. a. 9, N. b., N B B 7

4 13 particule 1 proton électron électron q 1 (C) 1, , , particule électron neutron électron q (C) 1, , distance entre particules force électrique (N) sens 0,60 nm /, m 6, , q C OU q C. 1. F F k q A q B 15 AB / BA / 0,13 N. AB. Cf. figure 11 du cours ; interaction attractive ; échelle de force, par exemple : 1 cm pour 0,1 N. 3. a. Force de sens opposé et de valeur identique. b. Valeur multipliée par. c. Valeur divisée par 4 ( ). 16 a. Protons et neutrons. b. Répulsion entre les protons. c. Attraction pour compenser la répulsion des protons. d m : ordre de grandeur du rayon de l atome. e. Non car la distance interatomique dépasse m. f. Les neutrons permettent d augmenter la distance entre protons chargés positivement et se repoussant les uns les autres. g. Au-delà d un certain nombre de nucléons, donc sur des distances de plus en plus importantes, l interaction forte ne parvient pas à compenser la répulsion protonproton. 17 Charges positives : excès de protons suite à l arrachage des électrons pendant le frottement. 18 Corrigé dans le manuel Tribo (du grec) : frotter.. a. La soie est chargée négativement ; la laine positivement ; des électrons sont arrachés de la laine par la soie. b. Les étincelles sont de petits arcs électriques matérialisant l ionisation locale de l air et le retour des électrons dans le matériau initial : la laine. 0 a. Les cheveux s électrisent par frottement et se repoussent car ils portent des charges électriques de même signe. b. Des électrons s accumulent sur l écran ; ils retournent à la terre par l intermédiaire du corps conducteur qui touche l écran. Les picotements et les craquements témoignent du passage du courant dans l air (arcs électriques). c. Si le chiffon appuie trop sur le meuble qu il essuie, il y a transfert d électrons ; le meuble électrisé par frottement attirera davantage la poussière par la suite. (Si le chiffon est en coton et le meuble en bois, le chiffon s électrise positivement et le meuble négativement.) 1 Il faut isoler le conducteur électrique pour qu il conserve ses charges électriques. Par exemple on frotte avec un chiffon une tige de cuivre tenu par un manchon isolant. Corrigé dans le manuel. 3 a. Dans un conducteur, les charges électriques sont mobiles. b. Lors du frottement avec la laine, le bâton arrache des électrons à la laine, qui se retrouve en excès de protons donc chargée positivement. c. L électrisation de la boule se traduit par une distorsion de la répartition des charges positives et négatives dans la boule. d. Elle est due à l influence du bâton d ébonite et non à son contact. Exercices de synthèse 4 a. Les électrons, portés par le bâton passent sur le plateau ; la tige et l aiguille, en contact électrique avec le plateau se chargent négativement. Or deux charges électriques se repoussent donc l aiguille s écarte de la tige. b. Il faut décharger l électroscope, par exemple en posant la main sur le plateau. 5 La plaque la plus proche, chargée positivement, crée une distorsion des charges électriques dans la boule conductrice ; de ce fait, les charges négatives se rapprochent de cette plaque : la boule est attirée. Plus la distance entre la boule et la plaque diminue, plus l attraction est intense. Lors du contact, la boule cède des électrons à la plaque. La plaque chargée positivement repousse alors la boule chargée positivement. La boule va alors heurter la plaque négative où elle se charge en électrons, etc. 6 a. La tige crée une distorsion de la répartition des charges électriques ; les électrons sont attirés vers le plateau ; de ce fait, l excès de charges positives au niveau de la tige se traduit par une répulsion entre tige et aiguille mobile. b. Le doigt apporte des électrons (voir la correction d Appliquer et réfléchir, page 6). En retirant le doigt du plateau, la tige et l aiguille sont à nouveau électriquement isolés et chargés négativement. 7 a. Lors du contact entre la tige métallique et le bâton d ébonite, la tige métallique se recouvre d électrons sur toute sa surface car elle est conductrice. Le pendule se charge aussi négativement par simple contact avec la tige. Le pendule est aussitôt repoussé par la tige. b. Les charges déposées sur la tige en plexiglas par le bâton restent localisées à l endroit du contact car le plexiglas est isolant. Le pendule reste électriquement neutre ; de plus, il se trouve trop loin pour ressentir l influence de ces charges. On n observe donc aucun mouvement de la boule. 8 a. Attraction entre deux charges de signe opposé. b. Pas/peu de pertes puisque la peinture va se coller à la surface électrisée. c. Couche fine car la surface métallique recouverte d une couche de peinture exerce une attraction moins forte, voire nulle ou même une répulsion sur d autres gouttelettes de peinture chargées négativement. d. La surface à peindre doit être conductrice pour que les 8

5 charges fournies par le générateur électrostatique se répartissent sur la surface. 9 a N. b N. Fél c Fgrav La force gravitationnelle est tout à fait négligeable devant la force électrique. On ne représente qu une force, la force électrique, qui est attractive car les porteurs de charge sont de signes opposés. proton F proton/électron électron a. Cf. Cours. b. Force gravitationnelle exercée par le proton A sur le proton B : direction : droite passant par le centre de chaque proton ; sens : de B vers A ; valeur : F G m p gravab / 33, N. ( r ). a. Cf. Cours.1. b. Force électrique exercée par le proton A sur le proton B : direction : droite passant par chaque proton ; sens : de A vers B ; valeur : F k ee AB / 40 N. ( r ) FAB / 3. 11, donc la force gravitationnelle est tout à fait négligeable par rapport à la force élec- Fgrav AB / trique dans le noyau. 4. Échelle : 1 cm pour 0 N. La force électrique est représentée par un vecteur de,0 cm. Cf. figure 1a du cours. 5. La force électrique est répulsive (interaction proton/proton) mais l interaction forte est attractive et s exerce entre tous les nucléons, quelle que soit leur charge électrique a. Dans le noyau, l interaction gravitationnelle est négligeable ; l interaction électrique est répulsive (protonproton) et l interaction forte attractive. b. À partir d un certain nombre de protons, la répulsion électrique devient si intense que l interaction forte, de portée limitée à m ne parvient pas à la compenser.. a. protons et neutrons. b. Q e 3, C. 3. a. Interaction répulsive entre noyaux chargés positivement. ( e) b. F k. él 9, 10 10N d 3 d Gmαmβ F αβ / Gm m et d α β F avec F α/β F γ/β donc d d. γ/ β 9

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