[PDF] Thème : Particules élémentaires et interactions fondamentales

Ch2 Le champ Électrostatique

Donc enfin, le champ électrique obeit le principe de superposition comme pour les forces 2 1 3 Lignes du champ électrique Comme dans le cas du champ gravitationnel, un champ électrique peut être représenté par ses lignes de force qui sont des lignes orientées tangentes en chaque point au champ électrique et passant par la charge q A B C

Champ électrostatique 1) Etude expérimental

au point M(0,4 cm) 2) En déduire les caractéristiques du champ électrique résultant E E E= +A B au point (M) 3) On place au point (M) une charge q 10 C=− −4, En déduire les caractéristiques de la force F électrostatique que subit cette charge Réponse 1) Puisque AM = BM, alors : A A B 2 0 2 2 4 A B 12 2 9 A B 1 q E E 4 AM AM 3 4

EXERCICES D ’ELECTROSTATIQUE ENONCES

Exercice 1 : Champ électrostatique crée par des charges Trois charges ponctuelles +q, -q et -q sont placées aux sommets d’un triangle équilatéral de côté a Déterminer les caractéristiques du champ électrostatique régnant au centre du triangle Application numérique : q = 0,1 nC et a = 10 cm

2 Champ électrostatique - ResearchGate

Déterminer le champ électrique au centre O du carré Application numérique : Q = 1,6 10-9 C; a = 4 2 m Solution :

DM n 2 : Les champs électrostatiques et magnétostatiques

3 Calculer le champ électrostatique créé en un point M de l’axe tel que OM = z On donnera le résultat en fonction de Q, la charge totale, du rayon R , de la permittivité du vide ε 0 et de la distancez 4 TracerlegraphedelafonctionE(z) 1 2 Champ au voisinage de l’axe : 5 On s’intéresse maintenant au champ

PHYSIQUE III : Les champs électrostatiques et

E-2 Champ au voisinage de l'axe : E-2-1 Le plan passant par l'axe Oz laisse la spire invariante donc E est appartient au plan de symétrie donc Eθ=0 E-2-2 Toute rotation autour de l'axe Oz à r et z fixés ne modifie pas le champ E" donc E ne dépend pas de θ E-2-3 Le champ E"

1BAC International Fr P H Y érie d’exercices N°6 S IQ U E I

= 0 au point O Calculer Vs potentiel électrostatique du point S de l’espace champ b) Déterminer Epo et Eps, énergies potentielles électrostatique d’un électron en O et en S dans l’espace champ, en joules et en kilo électronvolts c) En déduire Ecs énergie cinétique de sortie des électrons, en kilo électronvolts

Première partie Électrostatique

2 Appliquer ce résultat pour calculer le champ au voisinage de l'axe d'un anneau de rayon a portant la densité linéique de charge 7 Dipôle et l chargé Un dipôlep est placé au centre O d'une spire circulaire de rayon a portant la charge par unité de longueur , uniforme p fait un angle avec l'axe de la spire (cf gure 1) 1

Thème : Particules élémentaires et interactions fondamentales

Des lignes de champ électrostatique dues à un objet chargé placé au centre de l’image sont représentées ci-dessous : 1 Qu’est-ce qu’une ligne de champ ? 2 Définir le champ électrostatique 3 Déterminer si la charge de l’objet placé au centre est positive ou négative Justifier

4 Flux électrostatique Théorème de Gauss

4 Flux électrostatique Théorème de Gauss Exercice 15 ∗∗ ― Flux électrostatique créé par une charge ponctuelle 1 On place une charge ponctuelle q au centre d'un cube d'arête a

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Thème : Particules élémentaires et interactions fondamentales

Questions types Interactions fondamentales

Calculatrice : autorisée

Durée prévue : 15 minutes Note sur : 6.5 points

Savoirs évalués :

Les relations des valeurs des forces associées aux interactions gravitationnelle et électromagnétique

Description des particules élémentaires (charges, situations) Les interactions prédominantes à chaque échelle

Compétences évaluées :

Utiliser la relation mathématique des forces associées aux interactions gravitationnelle et

électromagnétique

Enoncé :

particules ci-contre).

1. deux protons.

2. électrique entre deux protons.

nucléaire.

4. Les interactions prises en compte suffisent-elles à expliquer la cohésion du noyau

Justifier et indiquer éventuellement la (ou les) autre(s) interaction(s) à prendre en compte pour expliquer ce phénomène. Données : Masse du proton : mp = 1,67.10-27 kg Constante de Coulomb : k = 9,0.109 N.m2.C-2

Constante de gravitation universelle : G = 6,67.10-11 N.m2.kg-2 Charge élémentaire : e = 1,60.10-19 C

Correction et évaluation

1. Fg = ீ௠ು௠ು

 (choix des valeurs)

(calcul correct)

2. Fe = k

2d qqBA

 (choix des valeurs)

(calcul correct)

3. La force gravitationnelle est beaucoup plus faible que la force électrique. Elle est

4. La force électrique entre

forte.

(répulsive)

 (cohésion impossible)

(forte)

Résultats sans unité ou avec une unité incorrecte - 0,5 Incohérence du nombre de chiffres significatifs - 0,5

TOTAL EXERCICE 1 sur 6,5 points

4,2.10-15 m

Questions types Tritium

Calculatrice : autorisée

Durée prévue : 15 minutes Note sur : 6 points

Savoirs évalués :

Les relations des valeurs des forces associées aux interactions gravitationnelle et électromagnétique

Description des particules élémentaires (charges, situations) Les interactions prédominantes à chaque échelle

Compétences évaluées :

Utiliser la relation mathématique des forces associées aux interactions gravitationnelle et

électromagnétique

Enoncé :

Le tritium ܪ

1. cet

atome.

2. 5,0.10-2

nm.

3. noyau distant

de 7,0× 1016 m

4. Calculer le poids sur aux

interactions électriques dans un atome.

Données:

Intensité du champ de pesanteur : g = 9,8 N.kg-1 Masse électron : 9,1 1031 kg Charge élémentaire : e = 1,6 1019 C k = 9,0 109 S.I.

Correction et évaluation

1. 1 protons, 2 neutrons et 1 électron 

2. Fe = k

2d qqBA

 (choix des valeurs)

(calcul correct)

1. Fe = k

2d qqBA = 0 car la charge du neutron est nulle  (valeur)

 (justif)

4. P = mg = 9,1 1031*9,8 = 8,9.10-30 N

 (expression)

 (choix des valeurs)

(calcul correct)

 (conclusion)

Résultats sans unité ou avec une unité incorrecte - 0,5 Incohérence du nombre de chiffres significatifs - 0,5

TOTAL EXERCICE sur 6 points

Questions types Hydrogène

Calculatrice : autorisée

Durée prévue : 15 minutes Note sur : 4 points

Savoirs évalués :

Les relations des valeurs des forces associées aux interactions gravitationnelle et électromagnétique

Description des particules élémentaires (charges, situations) Les interactions prédominantes à chaque échelle

Compétences évaluées :

Utiliser la relation mathématique des forces associées aux interactions gravitationnelle et

électromagnétique

Enoncé :

Données : k = 9,0.109 N.m².C-2, G = 6,67.10-11 N.m².kg-2.

Dans un atome d'hydrogène ܪ

0,73.10-10m

1.

2. Donner l'expression puis donner un ordre de grandeur de la valeur de l'interaction électrique entre ces deux

particules. Cette interaction est-elle attractive ou répulsive ?

3. Mêmes questions pour l'interaction gravitationnelle entre les deux particules.

4. Comparer les valeurs des deux interactions et commenter. Est-ce cohérent avec vos connaissances ?

Correction et évaluation

2. 1 proton, 0 neutron et 1 électron 

Fe = k

2d qqBA ଵ଴షమబ = 10-8 N

Cette force est attractive

 (expression)

 (choix des valeurs)

(calcul correct)

Fg = ீ௠ು௠ು

ଵ଴షమబ= 10-44 N

Cette force est attractive

 (valeur)

 (justif)

 (conclusion)

Résultats sans unité ou avec une unité incorrecte - 0,5 Incohérence du nombre de chiffres significatifs - 0,5

TOTAL EXERCICE sur 4 points

Questions types Champ électrique dans un

condensateur

Calculatrice : autorisée

Durée prévue : 15 minutes Note sur : 5 points

Savoirs évalués :

Les relations des valeurs des forces associées aux interactions gravitationnelle et électromagnétique

Champs de gravitation et électrostatique

Lignes de champs

Compétences évaluées :

Caractériser localement une ligne de champ électrostatique ou de champ de gravitation

Enoncé :

Définition : Un condensateur est un ensemble de 2 plaques métalliques séparées par un isolant.

Entre Ies plaques A et B d'un condensateur chargé, il existe un champ électrostatique uniforme, c'est-à-dire un champ dont la direction et le sens et la valeur sont constants en tous points de I'espace entre les plaques. Ce champ ܧ la plaque positive vers la plaque négative. Dans la situation étudiée, sa vaIeur est E =1,0 ×104N.C-1

1.Sur le schéma, représenter le vecteur champ électrostatique en un

: 1 cm pour 5,0.103 N.C-1

2.. Représenter des lignes de champ électrostatique entre les plaques.

3. Calculer la valeur de la force électrostatique qui s'exerce sur un

électron (q = -1,60 × 10-19 C) situé entre les plaques.

4. Dans quel sens cet électron se déplace-t-il sous effet de cette force

? Justifier.

Correction et évaluation

1. par un vecteur. Direction : perpendiculaire aux deux plaques

Sens : Vers B

Longueur : 1,0 ×104N.C-1

Les lignes de champs seront donc des lignes perpendiculaires aux plaques dirigées vers B.

3.e = qE = 1,60 × 10-19*1,0

×104 = 1,60 × 10-15 N

1. se déplacera donc vers A (ce qui est logique car il est chargé négativement et sera donc attiré vers la plaque chargée postivement.

TOTAL EXERCICE sur 5 points

Questions types

Calculatrice : autorisée

Durée prévue : 15 minutes Note sur : 4,5 points

Savoirs évalués :

Les relations des valeurs des forces associées aux interactions gravitationnelle et électromagnétique

Champs de gravitation et électrostatique

Lignes de champs

Compétences évaluées :

Caractériser localement une ligne de champ électrostatique ou de champ de gravitation

Enoncé :

Rayon de la Terre Rt = 6,38.103 km

Masse de la Terre Mt = 5,97.1024 kg

G = 6,67.10-11 N.m².kg-2.

gmer = 9,81 N/kg L'Éverest est la plus haute montagne du monde avec une altitude h = 8 848 m.

1. Exprimer la valeur de la force de gravitation subie, au sommet de l'Everest, par un alpiniste de masse m en

fonction de G, h, RT, m et MT la masse de la Terre.

2. Exprimer la valeur du poids de l'alpiniste en fonction de l'intensité de la pesanteur au sommet de l'Everest gE.

3. En assimilant le poids à la force de gravitation, déterminer l'expression de la valeur du champ de pesanteur en

verest.

4. Calculer cette valeur puis la comparer à celle de ce champ au niveau de la mer gmer.

Correction et évaluation

1. Fg = ீ௠௠೅

2. P = mgE 

3. Si on suppose que Fg = P, alors : gE =

gE = Cette valeur est inférieure à celle au niveau de la mer.

TOTAL EXERCICE sur 4,5 points

Questions types Champ de gravitation sur Mars

Calculatrice : autorisée

Durée prévue : 15 minutes Note sur : 4,5 points

Savoirs évalués :

Les relations des valeurs des forces associées aux interactions gravitationnelle et électromagnétique

Champs de gravitation et électrostatique

Lignes de champs

Compétences évaluées :

Caractériser localement une ligne de champ électrostatique ou de champ de gravitation

Enoncé :

Rayon de Mars Rm = 3,39.103 km

Masse de la Terre Mm = 6,39.1023 kg

G = 6,67.10-11 N.m².kg-2.

gmer = 9,81 N/kg

24 janvier 2004.

1. Exprimer la valeur de la force de gravitation subie, subie sur Mars, par Opportunity de masse m en fonction de

G, RM, m et MM la masse de Mars.

2. Exprimer la valeur du poids en fonction de l'intensité de la pesanteur sur Mars gMars.

3. En assimilant le poids à la force de gravitation, déterminer l'expression de la valeur du champ de pesanteur sur

Mars.

4. Calculer cette valeur puis la comparer à celle de ce champ sur Terre gTerre.

Correction et évaluation

1. Fg = ீ௠௠೘

1. P = mgm 

2. Si on suppose que Fg = P, alors : gm =

gE =

Cette valeur est inférieure sur Terre

TOTAL EXERCICE sur 4,5 points

Questions types Champ électrique créé par des charges ponctuelles

Calculatrice : interdite

Durée prévue : 20 minutes Note sur : 6,5 points

Savoirs évalués :

Les relations des valeurs des forces associées aux interactions gravitationnelle et électromagnétique

Champs de gravitation et électrostatique

Lignes de champs

Compétences évaluées :

Caractériser localement une ligne de champ électrostatique ou de champ de gravitation

Enoncé :

Des lignes de champ électrostatique dues à un objet chargé placé au centre -dessous :

1. - ?

2. Définir le champ électrostatique.

3. négative. Justifier.

4. Dans les 2 cas ci-

chacun des 2 cas, dire si les 2 charges sont de mêmes signes ou de signes opposées. Justifier.

Correction et évaluation

1. On appelle ligne de champs, les courbes tangentes aux vecteurs et

orientées dans le sens du vecteur. Elles indiquent donc la direction et le en raison de sa charge Q, un champ électrique ܧ

ܨԦ = q ܧ

Si je place en un point de lespace une charge q>0, en ce point le champ est dirigé vers lextérieur. La forcfe F = qE est donc dans le même sens. Il sagit donc dune force repulsive. Ceci signifie donc que la charge placée au centre est positive. Cas a Les deux ensembles de lignes sont orientés de la même façon. Il sagit de deux charges positives.

Cas b :

On voit au centre que les lignes de champs partent dune charge et arrivent à une autre. Les deux charges sont de signes opposés.

TOTAL EXERCICE sur 6,5 points

Résolution de problème Feynman

Calculatrice : autorisée

Durée prévue : 25 minutes Note sur : 7 points

Savoirs évalués :

Les relations des valeurs des forces associées aux interactions gravitationnelle et électromagnétique

Description des particules élémentaires (charges, situations) Les interactions prédominantes à chaque échelle

Compétences évaluées :

Utiliser la relation mathématique des forces associées aux interactions gravitationnelle et

électromagnétique

Remarques :

Enoncé :

Si l'homme était chargé

Si vous vous teniez à un bras de distance de quelqu'un et que chacun de vous ait un pour cent d'électrons de plus que de

protons, la force de répulsion serait incroyable. De quelle grandeur ? Suffisante pour soulever l'Empire State Building ? Non !

Pour soulever le Mont Everest ? Non ! La répulsion serait suffisante pour soulever une masse égale à celle de la Terre entière

D'après Richard FEYNMAN, prix Nobel de physique de 1965

Données:

: L = 60 cm : 4.1028 masse de la Terre : mT = 6,0x1024 kg.

Intensité de la pesanteur g = 10N.kg-1

k = 9,0x109 N.m2.C-2.

Correction et évaluation

28 /100 = 4,2.1026. Ceci représente une charge de q1 = q2

=4.1026 x -1,6.10-19 = - 6,4.107 C

La force électrostatique entre les 2 humains seraient donc de : F1/2 = F2/1 = k q1 q2/d² = 9.1025 N

Il faut le comparer au poids de la Terre :

P = mT x g = 6,0x1024 x10 = 6,0x1025 N

La phrase est bien vérifiée car : F1/2 > P

TOTAL sur 7 points

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