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Des champs en physique
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ACTIVITÉ D'EXPLORATION


2
Des champs en physique





Les interactions gravitationnelles et électrostatiques sont des interactions à distance.

➜ Comment décrit-on ces interactions dans l’espace ?


Par intuition

Selon le physicien Maxwell, « le champ crée une toile à travers tout le ciel ». De quel champ peut-il bien s’agir ?


Doc. 1
La naissance de la notion de champ

Au milieu du XVIIIe siècle, Leonhard Euler (1707-1783) étudie le mouvement des fluides. Il attribue une vitesse à chaque point d’un liquide en mouvement. La notion de champ est née : elle correspond à l’attribution en chaque point de l’espace de la valeur unique d’une grandeur physique. Euler a répertorié des vitesses mais on peut aussi bien répertorier des températures, des pressions ou même des forces. Les champs sont dits « scalaires » si la grandeur mesurée est scalaire (valeur numérique + unité), ou « vectoriels » si la grandeur est représentée localement par un vecteur.

Doc. 2
Les champs gravitationnel et électrostatique

Une particule chargée A\text{A} agit dans l’espace qui l’entoure sur toute particule B\text{B} chargée qui s’y trouve. Il en est de même pour une masse A\text{A} sur toute la masse présente B\text{B} autour d’elle. Ces actions sont modélisées par des forces, desquelles on peut déduire les vecteurs champ G\overrightarrow{\mathcal{G}} et E\overrightarrow{E} :

Les champs gravitationnel et électrostatique

Doc. 3
Cartographier un champ gravitationnel

Cartographier un champ gravitationnel

Afin de cartographier un champ gravitationnel créé par une masse MM, on déplace une masse d’essai me=m_{\mathrm{e}}= 1 kg dans la zone spatiale qui nous intéresse. La force gravitationnelle agissant sur mem_{\mathrm{e}} est proportionnelle au champ gravitationnel au niveau de la position de mem_{\mathrm{e}}.

Dans cette activité, on déplace la masse d’essai le long de cercles de rayons 1, 2 et 3 mètres. Chaque point représente une position de mem_{\mathrm{e}}, occupée tous les 45°.

Doc. 4
Lignes de champs

Lignes de champs

Lignes de champ du champ magnétique terrestre.

Les lignes de champs sont des courbes permettant de représenter les champs vectoriels. Elles sont en tout point tangentes aux vecteurs du champ et orientées dans le même sens que celui-ci.

Plus le champ est intense, plus les lignes seront proches les unes des autres.

Données

  • k=k = 8,99 ×\times 109 N·m2·C-2 ;
  • G=G = 6,67 ×\times 10-11 N·m2·kg-2.

Compétence

MATH : Vecteur

Questions

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1. Doc. 3 Reproduire la carte des positions de la masse d'essai à l’échelle 3 carreaux pour 1 m. Vous pouvez également répondre aux questions de cette activité sur papier.
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2. Doc. 2 et 3 On place sur le point central une masse M=M = 4,0 kg. Après avoir calculé leurs valeurs, représenter les forces d’interaction gravitationnelle de MM sur la masse d’essai mem_{\mathrm{e}} pour chacune des positions représentées. (Échelle : 1 carreau \rightarrow 1 ×\times 10-10 N.)


3. Doc. 2 Identifier le lien entre les forces d’interaction gravitationnelle exercées par MM sur mem_{\mathrm{e}} et le champ gravitationnel créé par MM.


4. Doc. 3 et 4 Tracer les lignes de champ du champ représenté. Commenter le dessin.
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Synthèse de l'activité

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Que représentent les champs gravitationnel et électrostatique ?
L’image de Maxwell est-elle confirmée par la représentation de champ dans l’activité ?
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