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Lycée Sainte Mar ie Bastide 1 re S 1 TP cour s de PHYSIQUE (chap. 12) 2014­2015 Champs et for ces
NOM et Pr énom : OBJECTIFS :
· · · Savoir ce qu’est un champ en physique.
Savoir caractériser un champ.
Connaître les caractéristiques de quelques champs. I) NOTION DE CHAMP EN PHYSIQUE 1° Gr andeur s scalair es, vector ielles On appelle gr andeur physique une caractéristique d’un objet ou d’un phénomène qui peut être mesurée et qui le décrit parfaitement. L’étude d’une montgolfière, par exemple, peut faire intervenir des gr andeur s physiques scalair es et vector ielles. altitude masse pression atmosphérique vitesse forces température Grandeur scalaire Grandeur vectorielle
2° Champs scalair es, vector iels En physique, un champ est la représentation d’un ensemble de valeurs prises par une grandeur physique en différents points d’une région de l’espace. Si la grandeur physique mesurable est caractérisée par un nombre, on parle de champ scalair e. Si la grandeur physique mesurable a les propriétés d’un vecteur, on parle de champ vector iel. Dans l’exemple de la montgolfière, plusieurs champs jouent un rôle sur son déplacement : Champ des altitudes Champ de pression dans l’atmosphère Champ de vitesse des vents Champ de température de l’air Champ scalaire Champ vectoriel 3° Repr ésentation des champs Pour r epr ésenter un champ scalair e, les physiciens font figurer sur un plan de la zone étudiée les valeurs de la grandeur mesurée en différents points (exemples : fig. a, b, c, d, e, f, g, h). Les cour bes de niveau d’un champ, appelés aussi équipotentielles, sont les courbes obtenues en reliant tous les points où la grandeur étudiée a la même valeur (exemples : fig. a, b, c, d, e, f, g, h). Sur une carte de champ scalaire, plus les courbes de niveau sont proches, plus la variation de la valeur de la grandeur mesurée est importante / faible (exemple : fig. a, plus les courbes de niveau topologiques se resserrent, plus / moins l’altitude augmente rapidement : l’inclinaison du terrain devient plus / moins importante). Pour représenter un champ vector iel, les physiciens font figurer sur un plan les vecteurs correspondant à la grandeur mesurée en différents points (exemples : fig. a, b, c, d, e, f, g, h). Les lignes de champs vector iels sont les courbes tangentes aux vecteurs associés à la grandeur mesurée. Ce sont des courbes orientées pour rendre compte du sens des vecteurs représentant la grandeur mesurée (exemples : fig. a, b, c, d, e, f, g, h). Sur une carte de champ vectoriel, plus les lignes de champ sont pr oches, plus la valeur du vecteur associé à la grandeur mesurée est importante / faible (exemple : fig. b, la valeur de la vitesse de l’air est plus / moins importante au sommet de l’aile d’avion). TP cours chapitre 12 Comprendre : Lois et Modèles 1 / 8 1èreS Sciences Physiques/Prog 2011/J. Landrevie Hachette 1èreS Dulaurans­Durupthy ©2011 p 201 à 218 Fig a. Extrait de carte topographique. Fig b. Ligne de champ de vitesse autour d’une aile d’avion. Fig c. Champ de vitesse des vents Fig d. Lignes isobares en hPa Fig e. Carte de température Fig f. Lignes de champ magnétique terrestre Fig g. Lignes de champ créé par deux charges Fig h. Lignes de champ créé par deux charges de positives signes contraires
TP cours chapitre 12 Comprendre : Lois et Modèles 2 / 8 1èreS Sciences Physiques/Prog 2011/J. Landrevie Hachette 1èreS Dulaurans­Durupthy ©2011 p 201 à 218 4° Champ unifor me Si la grandeur physique mesurable a les mêmes caractéristiques en tout point, on parle de champ unifor me. Pour un champ vectoriel uniforme, les lignes de champ sont par allèles entr e elles. 5° Application Le schéma ci­contre représente les lignes de champ de vitesse de l’air s’écoulant autour d’une voiture de rallye. 1. Identifier la zone du schéma où le champ de vitesse est uniforme. 2. Sous le véhicule, la vitesse de l’air est­elle plus grande ou plus faible qu’au niveau du pare­ chocs ? 3. La zone à l’arrière de la voiture est appelée « zone de turbulence ». A partir de la représentation ci­dessus, donner une définition possible de cette expression.
TP cours chapitre 12 Comprendre : Lois et Modèles 3 / 8 1èreS Sciences Physiques/Prog 2011/J. Landrevie Hachette 1èreS Dulaurans­Durupthy ©2011 p 201 à 218 II) CHAMP MAGNETIQUE Réaliser l’étude expérimentale p 206 et les expériences décrites ci­dessous puis renseigner les phrases suivantes. 1° Existence du champ magnétique ter r estr e Ø En un point de l’espace, une aiguille aimantée mobile autour d’un axe vertical (ou l’aiguille d’une boussole) se stabilise dans des positions quelconques / s’oriente toujours dans la même direction, dans le même sens. Ecartée de sa position d’équilibre, elle en prend une autre / elle y revient. L’aiguille aimantée est donc sensible au ………………. ……………………….. qui règne dans la région de l’espace. Le champ magnétique B est un champ scalaire / vectoriel dirigé selon l’aiguille aimantée, de son pôle nord vers son pôle sud / de son pôle sud vers son pôle nord (voir fig ci­dessous). La Terre est une source de champ magnétique ………………. L’intensité d’un champ magnétique peut se mesurer à l’aide d’un ……………………………………….. : sa valeur s’exprime en tesla, de symbole T. Remarque : Un choix historique non judicieux ! Le Nord terrestre attire le pôle nord / sud de l’aiguille de la boussole et le pôle nord / sud d’un petit aimant droit mais le pôle nord de l’aimant droit attire le pôle nord / sud d’un autre aimant ou le nord / sud de l’aiguille de la boussole... Le pôle Nord magnétique de la Terre est donc un pôle nord / sud ! 2° Champ magnétique cr ée par un aimant Ø Autour d’un aimant droit les aiguilles aimantées oscillent et se stabilisent dans des directions identiques / différentes. La présence de l’aimant modifie les propriétés de l’espace environnant : l’………………… est source de champ magnétique. Ø Une plaque transparente, placée sur un aimant droit, est saupoudrée avec de la limaille de fer. La tapoter. Le spectre magnétique observé avec un aimant droit est : Les lignes observées sont appelées ……………………………….. ur Le vecteur champ magnétique B est, en chaque point, tangent / perpendiculaire à une ligne de champ. Les lignes de champ :
ur - sont orientées dans le même sens que le vecteur B .
- sortent par le pôle N / S de l’aimant et rentrent par le pôle N / S.
- ne se coupent jamais.
- se resserrent d’autant plus que le champ magnétique est plus intense / faible.
TP cours chapitre 12 Comprendre : Lois et Modèles 4 / 8 1èreS Sciences Physiques/Prog 2011/J. Landrevie Hachette 1èreS Dulaurans­Durupthy ©2011 p 201 à 218 Ø Observation du spectre magnétique d’un aimant en U avec de petites aiguilles aimantées mobiles : Entre les deux branches de l’aimant en U, les lignes de champ sont parallèles entre elles : le ur vecteur champ magnétique B est un vecteur …………………. orienté du nord vers le sud / du sud vers le nord ; le champ est dit ……………………... 3° Champ magnétique cr éé par un cour ant Ø Expérience d’Oersted : Disposer un conducteur rectiligne horizontalement au­dessus d’une aiguille aimantée, mobile sur un pivot vertical, parallèle à l’aiguille aimantée en l’absence de courant. Lorsqu’on ferme le circuit, l’aiguille ne bouge pas / dévie. Lorsqu’on change le sens du courant, l’aiguille ne bouge pas / dévie dans l’autre sens. Lorsqu’on augmente l’intensité du courant, la déviation de l’aiguille est plus / moins importante. Tout courant électrique est à l’origine d’un ………………… ………………………. Le sens de la déviation de l’aiguille dépend du sens du …………………… . La déviation est d’autant plus importante que l’intensité du courant est moins / plus élevée. Ø Observation du spectre magnétique crée par un fil rectiligne parcouru par un courant, dans un plan perpendiculaire au fil. Placer une aiguille aimantée à proximité. Les lignes de champ (visualisées par la limaille de fer) sont des cercles ……………………… centrés sur le ……………………. Elles se referment sur elles­mêmes et leur sens dépend du sens du courant dans le fil. ur Le vecteur champ magnétique B crée en un point M par un fil rectiligne parcouru par un courant est :
- perpendiculaire au plan contenant le point M et le fil
- de sens donné par la règle «de la main droite», «du bonhomme d’Ampère» ou «du tire­bouchon». Règle du tir e­bouchon : Pour progresser dans le sens du courant, un tire­ bouchon doit tourner dans le sens du champ. Règle de la main dr oite : Lorsque la paume de la main est tournée vers le point M, les autres doigts étant orientés dans le sens du courant, alors le pouce indique le sens du champ. Règle du bonhomme d’Ampèr e : Lorsque le bonhomme d’Ampère est placé sur le fil, le courant le traversant des pieds vers la tête, son bras gauche tendu sur le côté indique le sens du champ.
TP cours chapitre 12 Comprendre : Lois et Modèles 5 / 8 1èreS Sciences Physiques/Prog 2011/J. Landrevie Hachette 1èreS Dulaurans­Durupthy ©2011 p 201 à 218 Ø Observation du spectre magnétique crée par un solénoïde (enroulement d’un fil conducteur protégé par une gaine isolante sur un cylindre) parcouru par un courant, dans un plan perpendiculaire au plan des spires. A l’intérieur d’un solénoïde, les lignes de champ sont pratiquement des …………….……………………. à l’axe du solénoïde : le champ magnétique est …………………. et ……………………….. à l’axe du solénoïde. Le sens du champ dépend du sens du …………………………. Il est donné par les règles du tire­bouchon, de la main droite ou du bonhomme d’Ampère. Les lignes de champ sortent par la face nord / sud et rentrent par la face nord / sud. Sur la face nord / sud, le courant circule dans le sens des aiguilles d’une montre. III) CHAMP ELECTROSTATIQUE 1° Existence et modélisation En un point M de l’espace, il règne un champ électr ostatique lorsqu’une charge électrique q y subit une action mécanique. Le vecteur champ électr ostatique, noté E , est un champ vector iel dirigé selon la force électrostatique F qui modélise l’action mécanique agissant sur la charge q placée en M tel que : F E = . q E et F ont même sens si q est positif / négatif. E s’exprime en volt/mètre (V.m ­1 ) ; F en ..…………….. (…..) ; q en ..…………….. (…..) .......... ... E = .......... .... Représentation du champ et de la force électrostatiques en un point M dans le cas d’une charge q positive / négative : La tige de verre dans cet exemple est chargée positivement / négativement.
TP cours chapitre 12 Comprendre : Lois et Modèles 6 / 8 1èreS Sciences Physiques/Prog 2011/J. Landrevie Hachette 1èreS Dulaurans­Durupthy ©2011 p 201 à 218 2° Champ électr ostatique cr ée par une char ge ponctuelle Il est possible de visualiser les lignes de champ électrostatique en faisant flotter de petites graines à la surface d’un liquide isolant à proximité de la source du champ : chaque graine s’oriente suivant les lignes de champ. Allure des lignes du champ électrostatique crée par une charge positive / négative et du spectre électrostatique / magnétique correspondant : 3° Champ électr ostatique dans un condensateur plan Un condensateur plan est formé de deux lames conductrices planes et parallèles, proches l’une de l’autre, et séparées par un isolant (ou diélectrique). Chaque lame conductrice est appelée ar matur e du condensateur. Le diélectr ique peut­être de l’air, du verre ou des matériaux plastiques. Entre les armatures d’un condensateur plan chargé, il règne un champ électr ostatique unifor me. Les lignes de champ sont des droites parallèles entre elles, perpendiculaires aux armatures et dirigées vers l’armature chargée positivement / négativement. La valeur du champ électrostatique, E, créé par un condensateur plan dépend de la tension U entre les armatures et de la distance d qui les sépare. E = U d U s’exprime en ……………… (…) ; d en ……………… (…) ; E en ………………………… (……) IV) CHAMPS DE PESANTEUR ET DE GRAVITATION 1° Champ de gr avitation Le champ de gr avitation est la représentation de la région de l’espace où la présence d’un objet massique est susceptible d’exercer une action mécanique d’attr action gr avitationnelle sur tout autre objet présent. Le champ gravitationnel est un champ scalaire / vectoriel centrifuge / centripète : toutes les lignes de champ sont orientées vers le centre de l’objet massique à l’origine du …………………….. ligne de champ
La for ce d’attr action gr avitationnelle qui modélise l’action d’un objet A sur un objet B, de masses respectives mA et mB uniformément réparties autour de leurs centres, séparés d’une distance d, a pour intensité, d’après la loi de gr avitation de Newton : avec G, constante de gr avitation univer selle, G = 6,67.10 ­11 S.I. (m 3 .kg ­1 .s ­2 ou N.m 2 .kg ­2 ) ; mA et mB exprimés en ……., d en ….. et F en …... TP cours chapitre 12 Comprendre : Lois et Modèles 7 / 8 1èreS Sciences Physiques/Prog 2011/J. Landrevie Hachette 1èreS Dulaurans­Durupthy ©2011 p 201 à 218 2° Le poids Le poids P d’un objet de ……………. m placé au voisinage de la Terre (ou d’une planète) est la ……………….. exercée par la ……………….. (ou la ………………..) sur l’objet, …………… qui traduit la manifestation de la gravitation. Sa direction est selon la ……………….. du lieu, son sens ………………….……….. et son intensité est donnée par la relation : avec P exprimé en …………… (….) ; m en ………………. (…..) ; g, ………………… de la pesanteur en ………………………………… (………….). 3° Le champ de pesanteur Un champ de pesanteur règne en un point de l’espace autour de la Terre (ou d’une planète) lorsqu’un objet massique, placé en ce point, y subit une action mécanique d’attraction modélisée par son poids. Le champ de pesanteur est défini par la relation : P m avec P , le poids ; m, la masse de l’objet ; g , le champ de pesanteur. Ce champ de pesanteur est un champ scalaire / vectoriel. Sa direction est la ……………………. du lieu ; son sens est ……………………………….. ; sa norme g est appelée …………………………………………………………. L’intensité de la pesanteur augmente / diminue avec l’altitude. g = En première approximation, on identifie le champ de pesanteur au champ de gr avitation. En réalité, la ver ticale d’un lieu est donnée par la direction d’un fil à plomb et, étant donné le mouvement de rotation de la Terre, le fil à plomb n’est pas exactement dirigé vers le centre de la Terre. 4° Le champ de pesanteur local Dans un domaine restreint (dont les dimensions sont de l’ordre du kilomètre) au voisinage de la Terre, on peut considérer qu’en tout point, les vecteurs qui décrivent le champ de pesanteur ont même ………………… (la ………………….), même ………………….. (vers le ………………) et même norme gTerre. Calculer l’intensité de la pesanteur au voisinage de la Terre, gTerre, sachant que le rayon de la Terre est RT = 6375 km et que la masse de la Terre vaut MT = 5,98.10 24 kg (G = 6,67.10 ­11 S.I.). _____________________________________ Pr épar er les exer cices n° 9, 12, 14, 16, 24 p 211 à 217 chap 12 ph.
TP cours chapitre 12 Comprendre : Lois et Modèles 8 / 8 1èreS Sciences Physiques/Prog 2011/J. Landrevie Hachette 1èreS Dulaurans­Durupthy ©2011 p 201 à 218