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

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1 Thème : Comprendre Chap. : Champs et forces TP : Petit tour dans les champs 1ereS But du TP : Savoir caractériser les champs électrostatique, gravitationnel et de pesanteur. 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 Tracer les lignes de champ orientées Déterminer l expression de l intensité du champ électrostatique en un point de l espace Document historique sur le champ électrostatique Document sur la foudre Document sur l électrisation Baguette en PVC + tissu en laine GROUPE 2 Champ gravitationnel Tracer les lignes de champ orientées 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 local de pesanteur Tracer les lignes de champ orientées Déterminer l expression de l intensité du champ de pesanteur d une planète Document sur le champ local de pesanteur Fil de plomb + documentation Schéma à remplir

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. 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. 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 local de pesanteur Document 1 : Champ de pesanteur Tout objet situé dans le voisinage immédiat d une planète (distances de l ordre de grandeur du kilomètre), subit une force gravitationnelle appelée poids de l objet et notée P. On associe à cette force un champ vectoriel appelé champ de pesanteur et noté g, de telle sorte à ce que P = m g, L expression de l intensité du champ de pesanteur en fonction des caractéristiques d une planète peut se démontrer en utilisant le fait que le poids d un objet de masse m correspond à la force gravitationnelle exercée par une planète sur ce même objet. On considère alors que : 1. Toute la masse M de la planète est concentrée en son centre. 2. L objet se trouve à la surface de la planète, donc à une distance R du centre (R étant le rayon de la planète). Document 2 : Le fil à plomb Le fil à plomb est un outil constitué d'un fil lesté utilisé pour obtenir des verticales (ou du moins la direction de la pesanteur à un endroit précis). L'utilisation du fil à plomb est basée sur le principe de la pesanteur et indique constamment la direction de celle-ci. On appelle la «verticale du lieu» la direction du fil à plomb en un lieu déterminé Utiliser le fil à plomb à différents endroits de la salle et dans différentes positions. En déduire l orientation du champ local de pesanteur à chaque position du bonhomme sur le schéma de la colline ci-dessous. Déterminer par une démonstration l expression de l intensité du champ de pesanteur g sur une planète. Calculer la valeur du champ de pesanteur terrestre. Données : MT = 5, kg ; RT = 6375 km. ; Données : G = 6, N.m 2.kg -2. Conclure : Comment peut-on qualifié le champ local de pesanteur.

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 : Champ Local de pesanteur Démonstration de l expression de l intensité du champ de pesanteur local : E = 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 + - Lignes de champs orientées entre deux plaques chargées (condensateur plan) : Expression de l intensité du champ g : où M est la masse en kilogramme, R le rayon en mètre et G la constante de gravitation. Unité du champ de pesanteur g : Direction du champ : Sens du champ : g = Le champ local de pesanteur peut être qualifié de champ Il dépend de la planète/stellite considérée. La valeur du champ local de pesanteur terrestre est : gt = 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 de la pesanteur à la surface de la Lune. Que peut-on dire du poids d un objet sur la Lune par rapport à son poids sur la Terre? 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