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L2 - Corrig´e de l"exercice 1
du TD N ◦4Vendredi 2 mars 2007
Exercice 1 : Force de Lorentz
Un proton (q= 1.6010-19C,m= 1.6710-27kg) se trouve dans un champ magn´etique uniforme d"intensit´e
B= 0.5 T. On appellexl"axe qui pointe dans la direction de ce champ. At= 0, le proton a une vitessev, avec
v x= 1.5105m/s,vy= 0,vz= 2.0105m/s.1) Force et acc´el´eration du proton `at= 0, donc dans le cas o`u le champ magn´etique est port´e uniquement sur
xet la vitesse surxetzseulement : on constate que les 2 sont dirig´es suivant l"axeyet s"expriment uniquement
en fonction devz(et nonvx) :-→FB=m-→a=qvzB-→ey.Au tempst= 0, cette force (cette acc´el´eration) est perpendiculaire `a la vitesse, donc on va probablement
parler de mouvement circulaire, au moins localement.2) Pourt >0, on ne connait pas la vitesse, mais commeay?= 0 a priori,vyne va probablement pas rester nul,
et nous allons ´ecrire le cas g´en´eral o`u -→va 3 composantes non nulles, et-→Ben revanche est toujours uniforme, constant, orient´e suivantx.D"apr`es la formule de la force de Lorentz,
-→FB=q-→v?-→B, la force sera toujours perpendiculaire `a la vitesse,donc pas de modification de norme de vitesse (force ne travaille pas, ´energie cin´etique ne varie pas, etc.). Donc
on parlera de mouvement uniforme.De plus la vitesse a une composante parall`ele `a
-→B(celle surx) et une perpendiculaire `a-→B(celle dans leplanyz). On peut aborder le mouvement comme une d´ecomposition de ces dans ces 2 sous-espaces.-Le premier cas engendre un mouvement rectiligne uniforme selon l"axex(la force de Lorentz associ´ee est
nulle, donc acc´el´eration nulle). La vitesse de ce mouvement, pour touttserait doncvx(t) =v0x.-Le second cas (
-→vperpendiculaire `a-→B) engendrerait un mouvement circulaire uniforme dans le planyz,cf DM. Rayon de ce cercle dans le planxy:R=mv0z|q|B= 4.2 mm; et centre `a d´efinir (on n"a pas parl´e de
l"origine du rep`ere).Attention! Dans le plan, on pourrait passer en coordonn´ees polaires par exemple, avec une vitesse selon
le vecteur tangent, et une acc´el´eration selon le vecteur radial uniquement. Si on reste en cart´esien (avecz
ety), comme la vitesse tourne, les composantes devzetvyvarient, il faut donc ´ecrire les ´equations avec
les 2 composantes non nulles.A ce stade, vous pouvez donc dire que le mouvement combin´e est donc une trajectoire h´elico¨ıdale de rayon
Ret de pas (qu"est-ce que le pas d"une h´elice??? c"est la distance Π parcourue suivant l"axe de l"h´elice,xici,
lorsque qu"un tour de cercle est fait, c"est-`a-dire le d´ecalage entre trajectoire sur l"h´elice et trajectoire sur le
cercle plan). A ce stade, faites un dessin!!!Il y a diff´erentes fa¸cons de voir Π par exemple on peut ´ecrire Π =x(T)-x(0) =vx×To`uTest la p´eriode.
Ainsi,T= 2πω=2πm|q|Bet donc Π =vxT=vx×2π m|q|B= 19.7 mm, soit environ 5 fois le rayon (votre dessin de
la trajectoire est-il proportionn´e?).1Les m´ethodes de calcul analytiqueSi vous n"etes pas convaincus (tout les calculs n´ecessaires sont dans
le corrig´e du DM), ou si vous voulez une autre m´ethode, voici un exemple de r´esolution pour les ´equations
diff´erentielles en cart´esien dans ce cas. Avant de se lancer dans ces calculs , l"´etape pr´ec´edente est indispensable,
pour savoir d´ej`a plus ou moins ce qu"on va trouver (quelque part un cercle, et quelque part une trajectoire
rectiligne, dans les 2 cas uniformes...)En r´esum´e, on part de
-→a= une formule fonction de-→vet des autres param`etres du probl`eme, et on veut trouver-→vpour tout temps, voire mieux, la position pour tout temps.A chaque tempst, on a donc-→a=qm
-→v?-→B, donc ?vx= 0 vy=q/mvzB vz=-q/mvyB ?v x=cste=v0xen int´egrant, pour tout tempst¨vy=q/mvzB=q/mB×(-q/mvyB) en d´erivant
¨vz=-q/mvyB=-q/mB×(q/mvzB)
Ainsi le cas dexest r´egl´e, et on a r´eussi `a exprimer la d´eriv´ee (seconde) devzen fonction devz(au lieu de
v y) et pareil poury. On obtient doncx(t) =v0xt+csteet on peut choisir la constante nulle si on part dex= 0 `at= 0.Restentyetz.?¨vy=-(q/mB)2vy=-Ω2vy
¨vz=-(q/mB)2vz=-Ω2vz
NB : Si on note
-→Ω =-qm-→B, alors-→a=-→Ω?-→v, on ne doit pas ˆetre surpris de trouver une trajectoire
circulaire de vecteur rotationvectΩ ...Bref on doit r´esoudre :
?¨vy+ Ω2vy= 0¨vz+ Ω2vz= 0
La solution g´en´erale d"une ´equation de ce style (¨v+Ω2v= 0) s"´ecritv(t) =Acos(Ωt)+Bsin(Ωt) o`u les constantes
AetBsont d´etermin´ees par les conditions initiales :A=v(t= 0) etB= v(t= 0)/Ω (`a vous de le retrouver).
Donc ici en se rappelant quevy(t= 0) = 0 et en appliquant les valeurs pourt= 0 de vyet vzon trouve que :
?vy= vy(t= 0)/Ω sinΩt=v0zsinΩt v z=vz(t= 0) cosΩt=v0zcosΩtMaintenant on sait que la vitesse tourne, `a la vitesse Ω =|q|B/m, on peut ´eventuellement trouver la position
du point, en int´egrant, mais attention aux constantes d"int´egration (conditions initiales). ?y(t) =-v0z/Ω cosΩt+cste z(t) =v0z/Ω sinΩt+csteSelon que vous prenez le point 0 pour centre du cercle ou comme point de d´epart au temps 0, on aura des
constantes diff´erentes. Supposons que `at= 0 on soit au point (0,0) Alorsy(t= 0) =-v0z/Ω +cste= 0→
cste=v0z/Ω etz(t= 0) =cste= 0. On note alorsR=v0z/Ω et cela donne en fin de compte : ?y(t) =R(1-cosΩt) z(t) =RsinΩt On a donc une trajectoire circulaire (uniforme) de rayonRet de centre le point (R/2,0) (attention au dessin!), de vitesseV=v0zdonn´e dans l"´enonc´e. On peut donc combiner les deux mouvements (rectiligne et circulaire) : ?x(t) =v0xt y(t) =R(1-cosΩt) z(t) =RsinΩtEt on reconnait (??) une h´elice qui a pour axe la droite parall`ele `axd"´equation (z= 0;y=R/2), pour
rayonRet de pasv0x2πΩ : dessin.2quotesdbs_dbs16.pdfusesText_22