10/01/2018 P10_electrisation_gravitation.doc 1/4
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1ère S Thème : Lois et modèles TP n°15
Physique Phénomènes d’électrisation
Interactions gravitationnelle et électromagnétique Chap.10
Objectif : Réaliser et interpréter des expériences simples d’électrisation.
Comparer les interactions électromagnétique et gravitationnelle.
I. Phénomènes électriques
Les phénomènes d’électrisation par frottement sont connus depuis l’antiquité : une résine fossilisée appelée l’ambre jaune (en grec « elektron ») acquiert par frottement la propriété d’attirer les corps légers : c’est l’électrisation.
En 1733, le physicien français Charles François de Cisternay Du Fay (voir document ci-dessous) découvre que l’électricité peut être, selon l’objet frotté, de deux sortes : l’électricité résineuse et l’électricité vitreuse.
Une décennie plus tard, l’américain Benjamin Franklin propose la nomenclature moderne en associant à chaque électricité le nom de charges négatives et de charges positives respectivement.
Caractéristiques des particules élémentaires
électron proton neutron
Charge électrique (en C) -e = -1,60 10-19 C e = 1,60 10-19 C 0
Masse (en kg) 9,109 10-31 1,673 10-27 1,675 10-27
Protocole expérimental
Reproduire l’expérience de DuFay en remplaçant la feuille d’or par une boule d’aluminium suspendue à un fil.
Frotter une baguette de verre avec un tissu de laine et l’approcher de la boule d’aluminium.
Toucher la boule avec la baguette électrisée. Éloigner la baguette puis l’approcher de nouveau de la boule.
La boule étant toujours chargée en électricité, approcher lentement une règle en matière plastique, préalablement électrisée par frottement à l’aide du tissu de laine.
1. Questions
1.1. Décrire le mouvement de la boule lors des trois expériences , et .
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1.2. La baguette de verre, électriquement neutre au départ, se charge positivement pendant le frottement. Des électrons sont-ils ajoutés ou enlevés de la baguette de verre ?
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« On frotte un tube de verre pour le rendre électrique, et, le tenant dans une situation bien horizontale, on laisse tomber dessus une parcelle de feuille d’or… Sitôt qu’elle a touché le tube, elle est repoussée vers le haut, à la distance de 8 à 10 pouces et elle demeure presque immobile en cet endroit… Il demeure donc constant que les corps devenus électriques sont chassés par ceux qui les ont rendus électriques. ». Quatrième mémoire sur l’électricité, C.F. DuFay, 1733
Source : Mme Rion
10/01/2018 P10_electrisation_gravitation.doc 2/4 Machine de Whimshurst présente dans la salle Hébert au lycée E. Zola
de Rennes
1.3. Expliquer l’attraction initiale de la boule d’aluminium (électrisation par influence, compléter le schéma avec déplacement des électrons).
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1.4. Déduire de l’expérience le signe de la charge portée par la boule après contact avec la baguette (électrisation par contact).
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1.5. Expliquer le déplacement de la boule lors de l’expérience .
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1.6. En déduire le comportement de la parcelle d’or dans l’expérience de DuFay.
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1.7. L’interaction électromagnétique est-elle toujours attractive comme l’interaction gravitationnelle ?
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2. La machine de Whimshurst
Au XVIIIème siècle, le savant anglais Whimshurst invente une machine qui permet de séparer l’électricité positive de l’électricité négative (voir document ci-contre). L’accumulation des charges électriques sur chaque boule peut entraîner une tension supérieure à 250 000 V !
2.1. Expliquer l’apparition d’une décharge électrique (éclair) entre les 2 boules.
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Expérience Expérience Expérience
pendule non chargée
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Le carillon électrostatique
Chaque extrémité de la machine de Whimshurst est maintenant branchée à chacune des plaques d’un carillon électrostatique entre lesquelles est placé un pendule constitué d’une bille de bois. On actionne la machine…
2.2. Expliquer le phénomène sonore en décomposant chaque étape du mouvement.
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II. Comparaison entre les interactions gravitationnelle et électromagnétique
Isaac Newton est l’un des plus éminents savants ayant jalonnés 2 500 ans d’astronomie (invention du télescope, découverte de la loi de la gravitation universelle…). Cette loi explique le mouvement des planètes autour du Soleil, ou la chute d’une pomme.
Mais, pourquoi cette interaction gravitationnelle domine-t-elle l’interaction électromagnétique à l’échelle astronomique ? Étudions le texte ci-dessous pour le comprendre…
1. Comprendre le texte
1.1. Quelle est la portée de l’interaction électromagnétique et de l’interaction gravitationnelle ?
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1.2. Pourquoi l’interaction électromagnétique n’intervient-elle pas à l’échelle astronomique ?
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1.3. De l’échelle humaine à l’échelle atomique, quelle est l’interaction prédominante ?
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« Pourquoi les forces nucléaires sont-elles condamnées à n’opérer qu’au niveau microscopique, alors que les forces électromagnétique et gravitationnelle ont une portée illimitée ? Et pourquoi observe-t-on tant de différences entre les intensités intrinsèques de ces quatre forces ?
Pour vous faire une idée de cette différence, imaginez que vous teniez un électron dans chaque main et que vous essayiez de les rapprocher. Ces deux particules, identiques, sont chargées : elles s’attirent sous l’effet de la
gravitation, mais se repoussent sous l’effet de la force électromagnétique. Laquelle des deux forces l’emporte ? Les électrons vont-ils se rapprocher ou s’éloigner ? Et bien, c’est la répulsion qui l’emporte, et de très loin : la force électromagnétique (FE ) est un million de milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus forte que l’attraction gravitationnelle (FG ).
Comment se fait-il alors que la force électromagnétique ne submerge pas la gravitation partout dans le monde qui nous entoure ? C’est que la matière est globalement neutre, composée d’autant de charges positives que de charges négatives, de sorte que les interactions électromagnétiques s’y compensent. Rien de tel pour la gravitation, puisqu’elle est toujours attractive : ajoutez de la matière, la force gravitationnelle n’en sera que plus intense. Et pourtant, la gravitation est, intrinsèquement, une force faible. » . L’Univers élégant, Brian Greene, 2000
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2. Interprétation
L’ordre de grandeur d’un nombre est la puissance de 10 la plus proche du nombre.
La force gravitationnelle a pour expression : FG = G m M
d² avec G = 6,67 10-11 N.m2.kg-2. 2.1. Traduire la phrase soulignée par une relation numérique entre les ordres de grandeur de FG et FE.
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2.2. Calculer la valeur puis l’ordre de grandeur de cette force FG en prenant d = 1 10-10 m , distance classique à l’échelle atomique. Donnée : Constante universelle de gravitation G = 6,67 10-11 N.m2.kg-2.
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2.3. La valeur de la force électrique FE exercée par une particule A de charge qA sur une particule B de charge qB, situées à une distance d, est donnée par la loi de Coulomb : FE = k ×
qA qB
d² avec k ≈ 9,0 109 N.m2.C-2 et qA et qB en coulomb et d en mètre.
Calculer la valeur de cette force s’exerçant entre les deux électrons précédents.
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Déterminer ensuite son ordre de grandeur .
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2.4. Retrouve-t-on le même rapport qu’à la question 2.1 ?
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3. Conclusion : Compléter le tableau ci-dessous
Portée
Échelle où l’interaction est
prédominante
Interaction attractive ou
répulsive
Grandeur physique sensible
à cette force
Expression de la valeur des forces Interaction
gravitationnelle Interaction électromagnétique
Barème et NOTE : Critère A = 2 : Critère B = 1 : Critère C = -1 ; Critère D = -2 Questions
I.1 I.2 II.1 II.2 II.3
NOTE
Critère A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D
.../20
Coefficient 4 2 2 2 1
Calcul de la note = 4 + ENT(16
44 (SOMMEPROD((critère);(coefficient))+ 22)) où ENT est la partie entière du nombre entre parenthèses et SOMMEPROD la somme des produits entre le critère et le coefficient
Si aucun résultat n’est donné (ce qui serait extraordinaire), une note entière entre 0 et 4 est possible.