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TROISIEME ANNEE
PHYSIQUE : INTERACTIONS DANS L’UNIVERS
LES INTERACTIONS FONDAMENTALES ; QUELLES SONT ET POURQUOI ? OBJECTIFS
DESCIPLINAIRE
Connaitre les quatre interactions fondamentales.
Faire une étude des interactions électromagnétiques et gravitationnelle.
Classer les intensités relatives des interactions en fonction de la distance.
LINGUISTIQUES Maîtriser le lexique spécifique aux interactions fondamentales : interaction ; faible ; forte ; électromagnétique ; nucléaire ;la matière et constituants…
PRE-REQUIS Atome et ses constituants ; force et caractéristiques ; champ de blé (ou de mais) ;
Univers et système solaire.
DOCUMENTS
DOCUMENTS Fiche « Elève » : Les interactions fondamentales. Quelle sont et pourquoi ? APPROCHE
METHODOLOGIQUE
Mettre en place une démarche d’investigation : (motivation « d’où parte-t-on? » ; problématisation
« qu’est-ce qu’on cherche? » ; définition de la stratégie de recherche « comment va-t-on faire pour chercher? » ; mise en œuvre du projet « cherchons » ; confrontation « a-t-on trouvé ce que l’on cherche ? » ; terminaison « le savoir construit : ce que l’on a expliqué, compris, découvert)
SEQUENCES PEDAGOGIQUE
DEMARCHE A SUIVRE
SITUATION DECLENCHANTE : (observation, situation problème, questionnements des élèves, découverte active de l’environnement ; recueil des conceptions initiales)
Exemples :
1) Quelle sont les interactions fondamentales ? et quelle est la plus intense ? 2) Que désigne-t-on en physique par la bande des quatre ?
3) L’interaction électrostatique est-elle une interaction fondamentale ?
4) L’attraction qu’exerce la Terre sur un corps. De quel type d’interaction s’agit-il ? 5) Deux particules de même signe se repoussent. De quel type d’interaction s’agit-il ? 6) Un aimant attire un morceau de fer. De quel type d’interaction s’agit-il ?
7) Est-ce-vrai que tous les processus physique, chimiques ou biologiques sont expliqués par seulement quatre interactions fondamentales ?
8) Quelles relations existent-elles entre : a) l’interaction et la force ?
b) l’interaction et le champ ?
c) l’interaction et l’échange de particules ?
9) Qu’est ce qu’un champ en physique ? quelles sont ses composants ?
10)
Par quoi est combattue la répulsion électrique des protons présents au sein du noyau, qui se repoussent puisqu’ils ont des charges électriques de même signe ?
11)
PROBLEMATISATION RETENUE PAR LES GROUPES : (1-formulation du problème à résoudre ; 2-Emission d’hypothèses ; 3-recherches des différentes modalités d’investigation à mettre en œuvre ;
4-élaboration de protocoles expérimentaux si-besoin)
1) Les interactions fondamentales. Quelle sont et pourquoi ? 2) Laquelle des interactions est la plus intense ?
INVESTIGATION : (Observation ; expérimentation ; recherche de documents ; visites et enquêtes ; modélisation)
STRUCTURATION : (confrontation des idées ; formulation des connaissances construites ou description de la stratégie de réflexion ; validation)
CONCLUSION :
1) Les interactions fondamentales et univers 2)
EVALUTION Correction à domicile de la fiche de compte rendu « Elève »
Exercice avec correction
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A. INTERACTIONS DANS L’UNIVERS TEXTES :
Les interactions dans l’univers
Pour rendre compte de tous les phénomènes (physiques, chimiques et biologiques) auxquels ils ont accès, les physiciens ont besoin de faire intervenir quatre interactions qu’ils jugent fondamentales […]
La gravitation gouverne notre vie quotidienne, de la chute des corps au mouvement des planètes et galaxies en passant par le phénomène des marées ou le fait qu’il ait une atmosphère autour de la Terre. Pourtant, son intensité est incomparablement plus faible que celles des autres interactions, si bien qu’on peut la négliger à l’échelle des particules. L’interaction gravitationnelle est attractive et de portée infinie […]
L’interaction électromagnétique, responsable de l’attraction ou répulsion des corps portant une charge électrique nous aussi très familière : effets d’aimantation de certains corps, appareils électriques (radio, télévision, etc.) sont quelques-unes des applications évidentes. A l’instar de l’interaction gravitationnelle, elle a une portée infinie, mais, étant tantôt attractive, tantôt répulsive (selon le signe relatif des charges en présence), ses effets cumulatifs sont annulés à grande distance du fait de la neutralité globale de la matière […]
Par quoi est combattue la répulsion électrique des protons présents au sein du noyau, qui se
repoussent puisqu’ils ont des charges électriques de même signe ? Aucune force classique, ni la force électromagnétique ni la force gravitationnelle, ne peut expliquer cette cohésion nucléaire. On a donc la preuve qu’il y a ici une troisième force, qu’on a appelé l’interaction forte. Elle est très intense et de courte portée, par opposition aux forces classiques qui sont de faibles intensités à l’échelle nucléaire, et de portée infinie […]. Quant à la portée de l’interaction forte, elle est d’environ un fermi, soit 10 m.
De très faible portée, l’interaction nucléaire faible est responsable en particulier de la radioactivité β, elle régit les réactions thermonucléaires qui permettent à notre soleil (et à toutes les étoiles) de produire de l’énergie qui nous fait vivre. Sa portée est très courte, environ un millième de fermi, soit 10 m. C’est donc quasiment une interaction de contact.
COMPREHENSION
La portée : étendue
A l’instar de : A la manière de…
radioactivité β : transformation d’un noyau atomique en un autre noyau qui s’accompagne de l’émission de particule. Elle permet au soleil de briller.
QUESTIONS
1) Quelles sont les quatre interactions présentes dans l’univers ? 2) Par quoi une interaction est-elle modélisée ?
3) Citer les grandeurs physiques dont dépend l’interaction : a) gravitationnelle ;
b) électromagnétique.
4) Quelle est l’interaction fondamentale responsable de la cohésion des structures suivantes : système solaire, noyau et atome.
5) Dresser un tableau récapitulatif où apparait chaque interaction, sa portée, son effet, sa taille et son (ou ses) domaine(s) d’action.
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CORRIGE :
1) Interactions : gravitationnelle, électromagnétique ; forte et faible.
2) Par un couple de forces.
3)
a) les masses des deux corps et la distance qui les sépare.
b) les charges des deux corps et la distance qui les sépare.
4) Interaction gravitationnelle et interactions forte et faible.
5)
interaction Intensité
relative Portée (m) Effet Taille (m) et domaine d’action Gravitationnelle 10 ∞ Attire [10 ; 10 ] : Etoiles, galaxie, univers
Electromagnétique 10 ∞ Attire ou
repousse [10 ; 10 ] : De l’atome à l’étoile
forte 1 très courte :10 Attire [0; 10 ] : noyau des atomes
Faible 10 très courte :10 transmute [0; 10 ] : noyau des atomes
Tous les processus physique, chimiques ou biologiques peuvent être expliqués à l’aide de seulement quatre interactions fondamentales.
L’interaction gravitationnelle responsable de la pesanteur, de la marée ou encore des phénomènes astronomiques. Elle est attractive, de portée infinie et gouverne
L’interaction électromagnétique responsable de l’électricité, du magnétisme, de la lumière ou encore des réactions chimiques et biologiques. Elle est attractive ou répulsive, de portée infinie et dominante à l’échelle humain.
L’interaction forte responsable de la cohésion des noyaux atomique. C’est la plus intense des interactions, elle est attractive, de très courte portée et dominante à l’échelle atomique.
L’interaction faible responsable de la radioactivité β qui permet au soleil de briller.
B. INTERATIONS ET ECHANGE DES PARTICULES
Que se passet-il pour les barques lorsque les deux occupants échangent le ballon.
CORRIGE : En conséquence de l’échange du ballon, les deux barques interagissent à distance en s’éloignant l’une de l’autre.
En physique, une interaction s’explique (ou est due) par (ou à) un échange de particules.
NB : Dans les leçons qui viennent, on se limitera aux interactions : électromagnétique (électrique et magnétique), gravitationnelle et forte.
