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1ère S Thème : Lois et modèles TP n°16
Physique La notion de champ en physique Chap.15
But du TP : Comprendre la notion de champ associé aux propriétés physiques de l’espace. Cartographier un champ électrostatique et magnétique. Comparer le champ de pesanteur et le champ de gravitation.
I. Champ scalaire ou vectoriel
En physique, un champ est une modification des propriétés de l’espace. Il est caractérisé par une grandeur physique mesurable (température, vitesse du vent, magnétisme, pesanteur…).
Le champ est scalaire si la grandeur caractéristique est définie par une valeur numérique.
Le champ est vectoriel si la grandeur caractéristique est un vecteur ayant une direction, un sens et une valeur précise.
Le champ est uniforme si sa valeur reste constante.
Trois champs sont représentés document 1, 2 et 3 page 4. Pour chaque champ, dire si il est scalaire ou vectoriel et dire si il est uniforme ou non dans le tableau ci-dessous en entourant la bonne réponse.
Le champ de température Le champ de vitesse du vent Le champ de pression à une même profondeur scalaire / vectoriel scalaire / vectoriel scalaire / vectoriel
Uniforme/ non uniforme Uniforme/ non uniforme Uniforme/ non uniforme II. Champ électrostatique
1. Mise en évidence
La boule déjà électrisée d’un pendule permet de détecter le champ électrostatique créé par une tige en verre frottée (voir doc.4 page 4).
La règle crée un champ électrostatique noté E en un point de l’espace A. Toute charge électrique q placée en ce point subit une force électrostatique FE = q E .
1.1. Le champ électrostatique créé par la tige est-il un champ scalaire ou un champ vectoriel ? 1.2. Quel est le signe de la charge électrique q portée par la boule ?
1.3. Représenter par une flèche au point A la force FE exercée par la tige sur la boule
1.4. Sachant que FE = 15 mN, calculer la valeur E (en N/C) du champ électrostatique E si |q| = 75 µC.
1.5. D’une autre couleur, tracer le vecteur E au même point A.
2. Le canon à électrons
Un canon à électrons est utilisé dans les microscopes électroniques pour illuminer un échantillon et en créer une image agrandie jusqu’à 2 millions de fois (alors que les meilleurs microscopes optiques sont limités à un grossissement de 2000).
Le schéma du doc.5 page 4 représente un modèle de canon à électrons :
Une plaque métallique C, appelée cathode, émet des électrons par chauffage (le chauffage permet d’extraire les électrons du métal).
Une plaque métallique A, l’anode, attire les électrons émis par C. Elle est percée d’un trou T d’où sortent les électrons, l’ensemble placé dans un tube où est réalisé un vide poussé. L’anode A est reliée à la borne positive d’un générateur de tension et la cathode C à la borne négative. La tension U entre les plaques A et C peut atteindre quelques dizaines de kilovolts. Ainsi, le champ électrique E uniforme accélère les électrons et sa valeur vaut E (V/m) = U
d avec U la tension en volts et d la distance (en m) entre l’anode et la cathode.
2.1. Sachant que la distance entre les plaques A et C est égale à d = 2,5 cm, calculer la valeur du champ E pour U = 3,4 kV. Comparer à la valeur précédente du 1.4. Remarque : 1 V/m = 1 N/C.
A présent, le faisceau d’électrons pénètre entre les armatures d’un condensateur plan formé de 2 armatures parallèles (voir doc.6 page 4).
2.2. Tracer sur les schémas page 4, la trajectoire des électrons selon la polarité des armatures.
2.3. Représenter, en un point de la trajectoire, la force FE et le champ E régnant entre les armatures.
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III. Champ magnétique 1. Mise en évidence
Déplacer une aiguille aimantée près d’un aimant droit. Observer l’orientation prise par l’aiguille.
1.1. Le champ magnétique B créé par l’aimant est de quel type ? En déduire si ce champ est uniforme autour de l’aimant.
Placer une plaque avec des aiguilles aimantées. Placer un aimant en U. Chaque aiguille aimantée s’oriente dans le sens sud - nord, ce qui forme des lignes de champ magnétique.
1.2. Représenter sur un schéma les lignes de champ magnétique B autour de l’aimant en U.
1.3. Remplacer l’aimant en U par l’aimant droit. Schématiser la situation. Les lignes de champ B sont-elles les mêmes ?
2. Expérience d’Œrsted
En 1820, le physicien danois Œrsted découvrit par hasard la relation entre électricité et magnétisme : Voir la vidéo L’expérience d’Oersted (http://www.ampere.cnrs.fr/) réalisée au lycée Zola de Rennes.
Observer l’expérience au bureau.
3. Force magnétique
On envoie un faisceau d’électrons dans un globe en verre où règne un champ magnétique B uniforme (voir doc.7 page 4).
3.1. Sur le schéma ci-dessous, tracer la trajectoire des électrons. Représenter la force magnétique FM s’exerçant sur les électrons.
La force FM a pour direction et sens celle définie par la règle des 3 doigts de la main droite. (Voir ci-dessus) 3.2. En déduire la direction et le sens du champ magnétique B . On utilise la notation suivante :
Si le vecteur est dirigé vers la feuille : ; Si le vecteur est dirigé vers le lecteur : IV. Le champ de gravitation
1. Le champ de pesanteur
Un corps de masse m est soumis à son poids P sur Terre. D’où l’existence d’un champ de pesanteur g.
1.1. Donner la relation entre les vecteurs champ de pesanteur g et le vecteur poidsP .
1.2. Calculer la valeur du poids d’un astronaute de masse m = 110 kg à la surface de la Terre où l’intensité du champ de pesanteur vaut g = 9,80 N/kg.
1.3. Sur le schéma ci-dessous, tracer le vecteur g lorsque l’astronaute est en A, B et C.
Vue de côté
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1.4. Comment évolue la valeur du champ de pesanteur avec l’altitude ? Pour quelle altitude h, la valeur initiale de g (= 9,80 N/kg) est divisée par deux? Une construction graphique est demandée.
1.5. Le champ de pesanteur g est considéré comme uniforme si sa valeur ne varie pas de plus de 10%.
Déterminer pour quelle altitude maximale le champ de pesanteur est considéré comme uniforme.
Une construction graphique est demandée.
2. Champ de gravitation
En 1686, Isaac Newton décrit la gravitation universelle dans son œuvre majeure Principe Mathématique de la Philosophie Naturelle.
Newton énonce que la norme de la force de gravitation F qu’exerce le centre de la Terre de masse MT
sur un corps de masse m, séparés d’une distance d, peut s’écrire : F = G m MT
d²
2.1. Par comparaison avec le champ de pesanteur, on peut définir le champ de gravitation noté G par la relation : G =
F
m . (Attention : ne pas confondre champ de gravitation G et constante de gravitation G Établir l’expression littérale de la norme G du vecteur G.
2.2. Calculer l’intensité de G à la surface de la Terre. Données : Constante universelle de gravitation G = 6,67 10-11 N.m2.kg-2 ; MT = 5,98 1024 kg ; rayon terrestre RT = 6 378 km
2.3. Comparer l’intensité du champ de gravitation G avec l’intensité du champ de pesanteur g. Conclure.
Remarque : En raison du mouvement de rotation de la Terre, les champs de gravitation et de pesanteur ne sont pas rigoureusement identiques ; cependant, ces deux champs peuvent s’identifier localement : GT = g . Barème et NOTE : Critère A = 2 : Critère B = 1 : Critère C = -1 ; Critère D = -2
Questions
I II.1 II.2 III.1 III.3 IV.1 IV.2
NOTE
Critère A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D
.../20
Coefficient 1 2 2 2 2 3 1
Calcul de la note = 4 + ENT(16
52 (SOMMEPROD((critère);(coefficient))+ 26)) où ENT est la partie entière du nombre entre parenthèses et SOMMEPROD la somme des produits entre le critère et le coefficient
24/01/2018 P15_Notion_de_champ3.doc 4/4 doc.6 Déviation du faisceau d’électrons
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
P (en bar)
doc.3 Evolution de la pression en plongée
doc.2 Carte des vents en France doc.1 Carte des températures en France
doc.4 : Attraction de la boule par la tige doc.5 Schéma d’un canon à électrons
boule fil
tige électrisée
+ + + + + + + A
doc.7 Dispositif expérimental
Élèves Bureau
Aiguille aimantée sur support Aimant droit
Aimant en U
Plaque avec aiguilles aimantées
Tube à déviation d’électrons Dispositif des bobines d’Helmholtz Expérience d’Oersted
