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Corrigé TP20 : Notion de champ

1) Historique de la notion et exemple du champ électrostatique (ou champ électrique)

1B F·HVP O·OLVPRLUH G·XQ ŃOMPS"B

ILUH MPPHQPLYHPHQP O·MŃPLYLPp 2p203 de votre livre puis remplir le tableau suivant avant de répondre aux questions.

Dates 1707-1783 1791-1867 1831-1979

Nom du physicien Euler Faraday Maxwell

Type de champ Champ de vitesse Champ électrostatique Champ magnétique

2. FMUPRJUMSOLH G·XQ ŃOMPS pOHŃPURVPMPLTXH HP UHSUpVHQPMPLRQ GHV OLJQHV GH ŃOMPS

2XYULU O·MQLPMPLRQ VH PURXYMQP j O·MGUHVVH : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/champE.swf

Vous complèterez les schémas suivants au fur et à mesure des cas étudiés. Exemple 1 ŃMV G·XQH VRXUŃH SRQŃPXHOOH

3OMŃHU MX ŃHQPUH GH O·LPMJH ŃMUUp JULV XQH charge positive ; ŃHPPH ŃOMUJH ŃUpH MXPRXU G·HOOH XQ champ électrostatique.

Pour déterminer les caractéristiques de ce champ, placer autour de la charge positive plusieurs " charges test » et

visualiser les forces agissant sur ces charges (jouer si nécessaire sur le curseur " échelle »).

Rappeler la relation vectorielle (donnée dans le texte p 203) entre le champ électrostatique E et la force subie par une

ŃOMUJH PHVP T SOMŃpH HQ XQ SRLQP GH O·HVSMŃH HP ŃRPSOpPHU OM ILJXUH1 ŃL-ŃRQPUH HQ UHSUpVHQPMQP VMQV VRXŃLV G·pŃOHOOH OH

vecteur champ électrique aux points où se situent les sphères grises.

Sachant que les lignes de champ sont tangentes aux vecteurs champs électrostatiques et qu·elles sont orientées dans le

sens du champ électrostatique, dessiner et orienter les lignes du champ sur le schéma 1. Exemple 2 : cas de deux sources ponctuelles de charges opposées Placer dans le carré gris deux charges électriques de signes opposés.

8PLOLVHU OHV ŃOMUJHV PHVPV SRXU GpPHUPLQHU O·MOOXUH GHV OLJQHV GH ŃOMPSV HP LQGLTXHU VL OHV OLJQHV GH ŃOMPS

correspondent à celles de la figure 2 ou de la figure 3. Figure 3

5HSUpVHQPHU VMQV VRXŃLV G·pŃOHOOH OH YHŃPHXU ŃOMPS pOHŃPURVPMPLTXH MX[ SRLQPV UHSpUpV SMU GHV ŃURL[B GHVVLQHU HP

orienter les lignes du champ sur le schéma choisi.

1S TP20

Comprendre

Figure 1 : champ électrostatique crée par une charge positive ponctuelle Exemple 3 : cas de deux sources ponctuelles de même signe

9pULILHU MYHŃ O·MQLPMPLon que la dernière figure représente le champ crée par 2 charges électriques de même signe.

5HSUpVHQPHU VMQV VRXŃLV G·pŃOHOOH OH YHŃPHXU ŃOMPS pOHŃPURVPMPLTXH MX[ SRLQPV UHSpUpV SMU GHV ŃURL[ GMQV OH ŃMV RZ

les deux charges sont positives. Dessiner et orienter les lignes du champ. Exemple 4 : champ électrique créé par un condensateur plan

Un condensateur plan est constitué de deux armatures conductrices planes, parallèles et face à face, séparées par un

isolant. Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. Pour cette

UMLVRQ Ń·HVP O·XQ GHV ŃRPSRVMQPV HVVHQPLHOV G·XQ JUMQG QRPNUH GH ŃLUŃXLPV pOHŃPURQLTXHVB

IRUVTX·XQH PHQVLRQ pOHŃPULTXH ŃRQPLQXH HVP MSSOLTXpH HQPUH VHV MUPMPXUHV XQ ŃOMPS pOHŃPURVPMPLque est créé entre

celles-ci.

2NVHUYHU O·H[SpULHQŃH UpMOLVpH SMU OH SURIHVVHXU SXLV UpSRQGUH MX[ TXHVPLRQVB

Compléter le schéma ci-contre en représentant : - OHV OLJQHV GH ŃOMPS j O·LQPpULHXU GX ŃRQGHQVMPHXU - la force électrique F V·H[HUoMQP VXU XQH SMUPLŃXOH GH ŃOMUJH T!0 SOMŃpH MX SRLQP $ - le champ électrique E au point A Sachant que le champ électrique est UNIFORME j O·LQPpULHXU G·XQ ŃRQGHQVMPHXU SOMQ représenter le vecteur E aux points B et C.

Orienter les lignes de champ.

La valeur du champ électrique dépend de la tension U appliquée aux bornes du condensateur et de la distance d entre les armatures. Parmi les relations suivantes, quelle est celle qui vous semble être la bonne (justifier brièvement votre choix) : EUd (1) EU d (2) Ed U (3)

Lorsque la tension augmente, il est logique de penser que la force va augmenter, donc le champ également. Par contre

lorsque la distance entre les plaques augmente, la force doit diminuer car la plus la distance entre les charges augmente,

plus la force électrostatique est petite. La bonne relation est donc la (2)

2) Exemple de champ scalaire

La figure ci-contre est une

carte météorologique éditée par Météo France.

1B GRQQHU OH QRP OH V\PNROH HP O·XQLPp GH OM JUMQGHXU SO\VLTXH ŃRUUHVSRQGMQP MX[ YMOHXUV QXPpULTXHV ILJXUMQP VXU OHV OLJQHV

de cette carte :

F·HVP OM SUHVVLRQ 3 qui est représentée en hPa (hectoPascal)B I·XQLPp LQPHUQMPLRQMOH GH OM SUHVVLRQ HVP OH 3MVŃMOB

2. Que représentent ces lignes ? Donner leur nom.

Ces lignes relient les points qui ont la même pression : ce sont des lignes isobares

3. Pourquoi la ligne 1015 hPa est-elle tracée en gras sur cette carte météo? Que signifient les lettres D et A figurant sur

cette carte ?

1015 hPa est la pression normale ; D correspond à une pression inférieure (dépression) et A à une pression supérieure

(anticyclone)

4. Expliquer pourquoi le champ représenté ici est un exemple de " champ scalaire » et non vectoriel.

Ce ne sont pas des vecteurs qui illustrent la valeur de champ mais des valeurs

DB FLPHU G·MXPUHV H[HPSOHV GH ŃOMPSV VŃMOaires utilisés en météorologie. Parmi les autres cartes proposées p202 du livre, y

en a-t-il une qui présente un champ vectoriel ? Justifiez. "" Champs scalaires : températures et champ vectoriel : vitesse des vents

3) Etude expérimentale de champs magnétiques

1. Établissement de la carte du champ magnétique créé par un aimant droit.

2Q GLVSRVH G·XQH MLJXLOOH MLPMQPpH HP G·XQ MLPMQP GURLPB 2Q YHXP pPMNOLU VXU IHXLOOH XQH ŃMUPH GX ŃOMPS PMJQpPLTXH ŃUpp SMU

cet aimant en traçant des lignes de champ.

a) Élaborer un protocole écrit TXL SHUPHPPH OH PUMŃp HP O·RULHQPMPLRQ GH OLJQHV GH ŃOMPS PMJQpPLTXHB $SUqV YMOLGMPLRQ SMU OH

Protocole : Carte :

2Q GLVSRVH O·MLJXLOOH MLPMQPpH j GLIIpUHQPV HQGURLPV SRXU YRLU

tangentes aux lignes de champs, on peut tracer un faisceau de lignes qui correspond au champ magnétique.

b) AprqV MYRLU pPMNOL ŃHPPH ŃMUPH SRVHU O·MLPMQP VXU OM SOMTXH ŃRQPHQMQP SOXVLHXUV MLJXLOOHVB 9pULILHU OM ŃRQŃRUGMQŃH HQPUH

2. Champ magnétique créé par un aimant " en U ».

En utilisant la plaque contenant les petites aiguilles aimantées, on peut obtenir la carte du champ magnétique crée par un aimant dit " en U ».

I·H[SpULHQŃH HVP UHSUpVHQPpH ŃL-contre :

Sachant que les lignes de champ magnétique sont orientées du pôle nord de O·MLPMQP MX S{OH VXG GH O·MLPMQP PUMŃHU VMQV VRXŃLV G·pŃOHOOH TXHOTXHV YHŃPHXU champ magnétique, notés B Que peut-RQ GLUH GX ŃOMPS PMJQpPLTXH j O·LQPpULHXU GH O·MLPMQP ÓXVPLILHU YRPUH réponse). Le champ magnétique a une direction et un sens constant. Si sa valeur

est constante, alors il est uniforme (c·est le cas, on pourrait le vérifier en utilisant un appareil de mesure adéquat ²Tesla

mètre- qui mesure les valeurs de champ magnétique)

3. Champ magnétique créé par un courant :

I·H[SpULHQŃH G·2HUVPHG

(Q 181E +MQV FOULVPLMQ 2HUVPHG SURIHVVHXU j O·XQLYHUVLPp GH FRSHQOMJXH PRQPUH SRXU OM boussole ou une aiguille aimantée sous un fil traversé par un courant continu et constate que

O·MLJXLOOH HVP GpYLpHB IRUVTX·LO ŃOMQJH OH VHQV GX ŃRXUMQP O·MLJXLOOH V·RULHQPH GLIIpUHPPHQPB HO

Mise en évidence expérimentale : champ créé par une bobine Une bobine est constituée par un enroulement de fil conducteur.

M 3OMŃHU XQH SHPLPH MLJXLOOH MLPMQPpH IMŃH j O·XQH GHV H[PUpPLPpV GH OM NRNLQHB 1RPHU VRQ RULHQPMPLRQB (Q GpGXLUH VL

b) $ YRPUH MYLV TXH IHUM O·MLJXLOOH VL HOOH HVP SOMŃpH IMŃH j O·MXPUH H[PUpPLPp GH OM NRNLne ? Vérifier votre prédiction.

Ń 2NVHUYHU O·HIIHP G·XQH LQYHUVLRQ GX VHQV GX ŃRXUMQP VXU O·RULHQPMPLRQ GH O·MLJXLOOH MLPMQPpHB

Faire un paragraphe de 4-5 lignes qui résume vos trois observations :

LoUVTX·RQ SOMŃH XQH MLJXLOOH MLPMQPpH HQ IMŃH GH O·H[PUpPLPp GH OM NRNLQH RQ UHPMUTXH TXH O·MLJXLOOH VH SOMŃH VXLYMQP O·M[H Ge

la bobine. Cette face de la bobine est comme un pôle sud puisqu·elle attire le pôle nord de l·aiguille. On l·appelle face Sud.

Placée SUqV GH O·MXPUH IMŃH l·aiguille se dispose de la même façon mais ses pôles sont inversés. En changeant le sens du

ŃRXUMQP RQ UHPMUTXH TXH O·MLJXLOOH LQYHUVH VM SRVLPLRQ ŃH TXL SURXYH TXH OH QRP GHV IMŃHV GpSHQG GX VHQV GX ŃRXUMQP GMQV OM

bobine.

4. Champ magnétique terrestre

Les lignes de champ du champ magnétique terrestre sont données ci-dessous : a) Quelle analogie vous inspire la carte du champ magnétique terrestre ? """Ce sont les mêmes lignes de champ que pour un aimant droit""""""""""""""""""""""""""""""

N G·XQ SRLQP GH YXH PMJQpPLTXH TXHOOH HVP OM QMPXUH GX S{OH 1RUG JpRJUMSOLTXH " GX S{OH 6XG JpRJUMSOLTXH " Les lignes de

champ étant orientées du pôle nord au pôle sud, le pôle nord géographique correspond au pôle Sud magnétique

c) Au voisinage du sol, le champ magnétique terrestre peut avoir 2 composantes (une composante horizontale et une

composante verticale). Quelle est la composante GpPHŃPpH SMU O·MLJXLOOH G·XQH boussole ? Seule la composante horizontale est détectée par la boussole

Attribuer à chacune des situations a, b et c O·XQH GHV ORŃMOLVMPLRQs suivantes : Paris, Johannesburg, les iles Galapagos (iles

VLPXpHV VXU O·pTXMPHXU PHUUHVPUHB

4) Le champ de pesanteur

1) Dessiner OH YHŃPHXU SRLGV V·H[HUoMQP VXU XQ RNÓHP placé aux points repérés sur les photos ci-dessous:

2) Rappeler ce que signifie la relation P=mg étudiée en seconde :

IH SRLGV HQ 1HRPRQ G·XQ RNÓHP VH ŃMOŃXOH HQ PXOPLSOLMQP OM PDVVHGHOquotesdbs_dbs11.pdfusesText_17

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